Dana 21. kolovoza, prof. MA Cheng sa Sveučilišta znanosti i tehnologije Kine (USTC) i njegovi suradnici predložili su učinkovitu strategiju za rješavanje problema kontakta elektrode i elektrolita koji ograničava razvoj sljedeće generacije litijevih baterija u čvrstom stanju. Kompozitna elektroda stvorena na ovaj način pokazala je iznimne kapacitete i brzinu.
Zamjena organskog tekućeg elektrolita u konvencionalnim litij-ionskim baterijama krutim elektrolitima može uvelike ublažiti sigurnosne probleme i potencijalno probiti "stakleni strop" za poboljšanje gustoće energije. Međutim, glavni materijali elektroda također su krute tvari. Budući da je kontakt između dvije krute tvari gotovo nemoguće postići kao između krute i tekuće tvari, trenutno baterije temeljene na krutim elektrolitima obično pokazuju loš kontakt elektrode i elektrolita te nezadovoljavajuće performanse cijele ćelije.
„Problem kontakta elektroda i elektrolita kod čvrstih baterija pomalo je poput najkraće bačve na drvenoj bačvi“, rekao je prof. MA Cheng s USTC-a, glavni autor studije. „Zapravo, tijekom ovih godina istraživači su već razvili mnoge izvrsne elektrode i čvrste elektrolite, ali loš kontakt između njih i dalje ograničava učinkovitost transporta litij-iona.“
Srećom, MA-ova strategija mogla bi prevladati ovaj ogroman izazov. Studija je započela ispitivanjem atom po atom nečistoće u prototipu čvrstog elektrolita perovskitne strukture. Iako se kristalna struktura nečistoće i čvrstog elektrolita uvelike razlikovala, uočeno je da tvore epitaksijalna sučelja. Nakon niza detaljnih strukturnih i kemijskih analiza, istraživači su otkrili da je nečistoća izostrukturna s visokokapacitnim slojevitim elektrodama bogatim litijem. To jest, prototip čvrstog elektrolita može kristalizirati na "predlošku" koji tvori atomski okvir visokoučinkovite elektrode, što rezultira atomski bliskim sučeljima.
„Ovo je zaista iznenađenje“, rekao je prvi autor LI Fuzhen, koji je trenutno diplomski student USTC-a. „Prisutnost nečistoća u materijalu zapravo je vrlo česta pojava, toliko česta da će se većinu vremena ignorirati. Međutim, nakon što smo ih pomno proučili, otkrili smo ovo neočekivano epitaksijalno ponašanje i ono je izravno inspiriralo našu strategiju za poboljšanje kontakta čvrsto-čvrsto.“
U usporedbi s uobičajeno prihvaćenim pristupom hladnog prešanja, strategija koju predlažu istraživači može ostvariti temeljit, besprijekoran kontakt između čvrstih elektrolita i elektroda na atomskoj razini, što se odražava na slici elektronskog mikroskopa atomske rezolucije. (Obezbijedio MA-ov tim.)
Iskoristivši uočeni fenomen, istraživači su namjerno kristalizirali amorfni prah istog sastava kao i perovskitno strukturirani kruti elektrolit na površini slojevitog spoja bogatog litijem i uspješno ostvarili temeljit, bešavni kontakt između ova dva kruta materijala u kompozitnoj elektrodi. Rješavanjem problema kontakta elektroda-elektrolit, takva kompozitna elektroda čvrsto-čvrsto ostvarila je brzinu prijenosa usporedivu čak i s onom kompozitne elektrode čvrsto-tekućina. Što je još važnije, istraživači su također otkrili da ova vrsta epitaksijalnog kontakta čvrsto-čvrsto može tolerirati velika neusklađenost rešetke, te bi stoga strategija koju su predložili mogla biti primjenjiva i na mnoge druge perovskitne krute elektrolite i slojevite elektrode.
„Ovaj rad je ukazao na smjer koji vrijedi slijediti“, rekao je MA. „Primjena ovdje iznesenog principa na druge važne materijale mogla bi dovesti do još boljih staničnih performansi i zanimljivije znanosti. Veselimo se tome.“
Istraživači namjeravaju nastaviti svoja istraživanja u tom smjeru i primijeniti predloženu strategiju na druge katode visokog kapaciteta i visokog potencijala.
Studija je objavljena u časopisu Matter, vodećem časopisu Cell Pressa, pod naslovom „Atomski bliski kontakt između čvrstih elektrolita i elektroda za litijeve baterije“. Prvi autor je LI Fuzhen, diplomirani student USTC-a. Suradnici prof. MA Chenga uključuju prof. NAN Ce-Wena sa Sveučilišta Tsinghua i dr. ZHOU Lina iz Ames Laboratorija.
(Škola kemije i znanosti o materijalima)
Veza na rad: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Vrijeme objave: 03.06.2019.