Дана 21. августа, проф. М. А. Ченг са Универзитета за науку и технологију Кине (USTC) и његови сарадници предложили су ефикасну стратегију за решавање проблема контакта електрода-електролит који ограничава развој литијумских батерија у чврстом стању следеће генерације. Композитна електрода од чврстог стања, креирана на овај начин, показала је изузетне капацитете и брзине.
Замена течног органског електролита у конвенционалним литијум-јонским батеријама чврстим електролитима може значајно ублажити безбедносне проблеме и потенцијално пробити „стаклени плафон“ за побољшање густине енергије. Међутим, главни материјали за електроде су такође чврсте материје. Пошто је контакт између две чврсте материје готово немогуће остварити тако блиску везу као између чврсте и течне материје, тренутно батерије засноване на чврстим електролитима обично показују лош контакт електроде и електролита и незадовољавајуће перформансе пуне ћелије.
„Проблем контакта електрода и електролита код чврстих батерија је помало попут најкраћег штапа на дрвеном бурету“, рекао је проф. М. А. Ченг из USTC-а, главни аутор студије. „Заправо, током ових година истраживачи су већ развили многе одличне електроде и чврсте електролите, али лош контакт између њих и даље ограничава ефикасност транспорта литијум-јона.“
Срећом, стратегија МА може превазићи овај огроман изазов. Студија је започела испитивањем атом по атом фазе нечистоће у прототипу чврстог електролита са перовскитном структуром. Иако се кристална структура нечистоће и чврстог електролита значајно разликовала, примећено је да формирају епитаксијалне интерфејсе. Након серије детаљних структурних и хемијских анализа, истраживачи су открили да је фаза нечистоће изоструктурна са слојевитим електродама високог капацитета богатим литијумом. То јест, прототип чврстог електролита може кристализовати на „шаблону“ који формира атомски оквир високоперформансне електроде, што резултира атомски блиским интерфејсима.
„Ово је заиста изненађење“, рекао је први аутор ЛИ Фужен, који је тренутно постдипломац USTC-а. „Присуство нечистоћа у материјалу је заправо веома честа појава, толико честа да ће већину времена бити игнорисана. Међутим, након што смо их пажљиво проучили, открили смо ово неочекивано епитаксијално понашање и оно је директно инспирисало нашу стратегију за побољшање контакта чврсто-чврсто тело.“
У поређењу са уобичајено усвојеним приступом хладног пресовања, стратегија коју су предложили истраживачи може остварити темељан, беспрекоран контакт између чврстих електролита и електрода на атомској скали, што се огледа на слици електронске микроскопије атомске резолуције. (Обезбедио тим МА.)
Користећи примећени феномен, истраживачи су намерно кристализовали аморфни прах истог састава као и перовскитно структурирани чврсти електролит на површини слојевитог једињења богатог литијумом и успешно реализовали темељан, беспрекоран контакт између ова два чврста материјала у композитној електроди. Решавањем проблема контакта електрода-електролит, таква композитна електрода чврсто-чврсто стање пружила је брзину чак упоредиву са оном код композитне електроде чврсто-течно стање. Још важније, истраживачи су такође открили да овај тип епитаксијалног контакта чврсто-чврсто стање може толерисати велика неусклађења решетки, па би стратегија коју су предложили могла бити применљива и на многе друге перовскитне чврсте електролите и слојевите електроде.
„Овај рад је указао на правац који вреди следити“, рекао је МА. „Примена принципа изнетог овде на друге важне материјале могла би довести до још бољих ћелијских перформанси и занимљивије науке. Радујемо се томе.“
Истраживачи намеравају да наставе своја истраживања у овом правцу и примене предложену стратегију на друге катоде високог капацитета и високог потенцијала.
Студија је објављена у часопису Matter, водећем часопису Cell Press-а, под насловом „Атомски интиман контакт између чврстих електролита и електрода за литијумске батерије“. Први аутор је ЛИ Фуџен, постдипломац USTC-а. Међу сарадницима проф. М. А. Ченга су проф. Н. А. Це-Вен са Универзитета Цингхуа и др. ЖОУ Лин из Ејмс лабораторије.
(Школa за хемију и науку о материјалима)
Линк ка чланку: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Време објаве: 03. јун 2019.