Den 21. august foreslo professor MA Cheng fra University of Science and Technology of China (USTC) og hans samarbeidspartnere en effektiv strategi for å løse problemet med elektrode-elektrolytt-kontakt som begrenser utviklingen av neste generasjons faststoff-Li-batterier. Den faststoff-faststoff-komposittelektroden som ble laget på denne måten viste eksepsjonell kapasitet og hastighetsytelse.
Å erstatte den organiske flytende elektrolytten i konvensjonelle litiumionbatterier med faste elektrolytter kan i stor grad redusere sikkerhetsproblemene, og potensielt bryte «glasstaket» for forbedring av energitetthet. Imidlertid er vanlige elektrodematerialer også faste stoffer. Siden kontakten mellom to faste stoffer er nesten umulig å være så intim som mellom fast og flytende stoffer, viser batterier basert på faste elektrolytter for tiden vanligvis dårlig elektrode-elektrolytt-kontakt og utilfredsstillende ytelse fra full celle.
«Problemet med elektrode-elektrolytt-kontakt i faststoffbatterier er litt som den korteste staven i en tretønne», sa professor MA Cheng fra USTC, hovedforfatter av studien. «Faktisk har forskere allerede utviklet mange utmerkede elektroder og faste elektrolytter i løpet av disse årene, men den dårlige kontakten mellom dem begrenser fortsatt effektiviteten til litiumiontransport.»
Heldigvis kan MAs strategi overvinne denne formidable utfordringen. Studien startet med en atom-for-atom-undersøkelse av en urenhetsfase i en prototype, perovskittstrukturert fast elektrolytt. Selv om krystallstrukturen varierte sterkt mellom urenheten og den faste elektrolytten, ble det observert at de dannet epitaksiale grensesnitt. Etter en serie detaljerte strukturelle og kjemiske analyser oppdaget forskerne at urenhetsfasen er isostrukturell med de høykapasitets Li-rike lagdelte elektrodene. Det vil si at en prototype fast elektrolytt kan krystallisere på "malen" dannet av det atomære rammeverket til en høyytelseselektrode, noe som resulterer i atomisk intime grensesnitt.
«Dette er virkelig en overraskelse», sa førsteforfatter LI Fuzhen, som for tiden er masterstudent ved USTC. «Tilstedeværelsen av urenheter i materialet er faktisk et veldig vanlig fenomen, så vanlig at de mesteparten av tiden vil bli ignorert. Men etter å ha sett nærmere på dem, oppdaget vi denne uventede epitaksiale oppførselen, og den inspirerte direkte strategien vår for å forbedre faststoff-faststoff-kontakten.»
Sammenlignet med den vanlige kaldpressingsmetoden, kan strategien som er foreslått av forskerne, realisere en grundig, sømløs kontakt mellom faste elektrolytter og elektroder på atomær skala, noe som gjenspeiles i elektronmikroskopibildet med atomoppløsning. (Levert av MAs team.)
Ved å utnytte det observerte fenomenet, krystalliserte forskerne bevisst det amorfe pulveret med samme sammensetning som den perovskittstrukturerte faste elektrolytten på overflaten av en Li-rik lagdelt forbindelse, og realiserte med hell en grundig, sømløs kontakt mellom disse to faste materialene i en komposittelektrode. Med problemet med elektrode-elektrolytt-kontakt adressert, leverte en slik fast-fast komposittelektrode en hastighetskapasitet som til og med var sammenlignbar med den fra en fast-væske-komposittelektrode. Enda viktigere er det at forskerne også fant at denne typen epitaksial fast-fast kontakt kan tolerere store gitteravvik, og dermed kunne strategien de foreslo også være anvendelig på mange andre perovskittfaste elektrolytter og lagdelte elektroder.
«Dette arbeidet pekte ut en retning som er verdt å forfølge», sa MA. «Å anvende prinsippet som er reist her på andre viktige materialer kan føre til enda bedre celleytelse og mer interessant forskning. Vi ser frem til det.»
Forskerne har til hensikt å fortsette utforskningen i denne retningen, og anvende den foreslåtte strategien på andre katoder med høy kapasitet og høyt potensial.
Studien ble publisert i Matter, et flaggskiptidsskrift fra Cell Press, med tittelen «Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries». Førsteforfatter er LI Fuzhen, en masterstudent ved USTC. Professor MA Chengs samarbeidspartnere inkluderer professor NAN Ce-Wen fra Tsinghua University og Dr. ZHOU Lin fra Ames Laboratory.
(Skolen for kjemi og materialvitenskap)
Lenke til artikkelen: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Publisert: 03.06.2019