Στις 21 Αυγούστου, ο καθηγητής MA Cheng από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC) και οι συνεργάτες του πρότειναν μια αποτελεσματική στρατηγική για την αντιμετώπιση του ζητήματος επαφής ηλεκτροδίων-ηλεκτρολυτών που περιορίζει την ανάπτυξη μπαταριών λιθίου στερεάς κατάστασης επόμενης γενιάς. Το σύνθετο ηλεκτρόδιο στερεάς κατάστασης που δημιουργήθηκε με αυτόν τον τρόπο παρουσίασε εξαιρετικές χωρητικότητες και επιδόσεις ταχύτητας.
Η αντικατάσταση του οργανικού υγρού ηλεκτρολύτη στις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου με στερεούς ηλεκτρολύτες μπορεί να μετριάσει σημαντικά τα ζητήματα ασφάλειας και ενδεχομένως να σπάσει το «γυάλινο ταβάνι» για τη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας. Ωστόσο, τα υλικά των ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι επίσης στερεά. Δεδομένου ότι η επαφή μεταξύ δύο στερεών είναι σχεδόν αδύνατο να είναι τόσο στενή όσο αυτή μεταξύ στερεού και υγρού, προς το παρόν οι μπαταρίες που βασίζονται σε στερεούς ηλεκτρολύτες συνήθως εμφανίζουν κακή επαφή ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη και μη ικανοποιητικές επιδόσεις πλήρους στοιχείου.
«Το ζήτημα της επαφής ηλεκτροδίων-ηλεκτρολυτών στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης μοιάζει κάπως με το κοντύτερο δοκάρι ενός ξύλινου βαρελιού», δήλωσε ο καθηγητής MA Cheng από το USTC, κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Στην πραγματικότητα, όλα αυτά τα χρόνια οι ερευνητές έχουν ήδη αναπτύξει πολλά εξαιρετικά ηλεκτρόδια και στερεούς ηλεκτρολύτες, αλλά η κακή επαφή μεταξύ τους εξακολουθεί να περιορίζει την αποτελεσματικότητα της μεταφοράς ιόντων λιθίου».
Ευτυχώς, η στρατηγική της MA μπορεί να ξεπεράσει αυτή την τρομερή πρόκληση. Η μελέτη ξεκίνησε με την εξέταση άτομο προς άτομο μιας φάσης πρόσμιξης σε έναν πρωτότυπο στερεό ηλεκτρολύτη με δομή περοβσκίτη. Αν και η κρυσταλλική δομή διέφερε σημαντικά μεταξύ της πρόσμιξης και του στερεού ηλεκτρολύτη, παρατηρήθηκε ότι σχηματίζουν επιταξιακές διεπαφές. Μετά από μια σειρά λεπτομερών δομικών και χημικών αναλύσεων, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η φάση πρόσμιξης είναι ισοδομική με τα πλούσια σε λίθιο στρωματοποιημένα ηλεκτρόδια υψηλής χωρητικότητας. Δηλαδή, ένας πρωτότυπος στερεός ηλεκτρολύτης μπορεί να κρυσταλλωθεί στο «πρότυπο» που σχηματίζεται από το ατομικό πλαίσιο ενός ηλεκτροδίου υψηλής απόδοσης, με αποτέλεσμα ατομικά στενές διεπαφές.
«Αυτή είναι πραγματικά μια έκπληξη», δήλωσε ο πρώτος συγγραφέας LI Fuzhen, ο οποίος είναι επί του παρόντος μεταπτυχιακός φοιτητής του USTC. «Η παρουσία ακαθαρσιών στο υλικό είναι στην πραγματικότητα ένα πολύ συνηθισμένο φαινόμενο, τόσο συνηθισμένο που τις περισσότερες φορές θα αγνοηθούν. Ωστόσο, αφού τις εξετάσαμε προσεκτικά, ανακαλύψαμε αυτήν την απροσδόκητη επιταξιακή συμπεριφορά και ενέπνευσε άμεσα τη στρατηγική μας για τη βελτίωση της επαφής στερεού-στερεού».
Σε σύγκριση με την συνήθως υιοθετούμενη προσέγγιση ψυχρής έκθλιψης, η στρατηγική που προτείνουν οι ερευνητές μπορεί να πραγματοποιήσει μια πλήρη, απρόσκοπτη επαφή μεταξύ στερεών ηλεκτρολυτών και ηλεκτροδίων σε ατομική κλίμακα, όπως αντικατοπτρίζεται στην εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας ατομικής ανάλυσης. (Παρέχεται από την ομάδα της MA.)
Εκμεταλλευόμενοι το παρατηρούμενο φαινόμενο, οι ερευνητές σκόπιμα κρυστάλλωσαν την άμορφη σκόνη με την ίδια σύνθεση με τον στερεό ηλεκτρολύτη με δομή περοβσκίτη στην επιφάνεια μιας πλούσιας σε λίθιο στρωματοποιημένης ένωσης και πραγματοποίησαν με επιτυχία μια πλήρη, απρόσκοπτη επαφή μεταξύ αυτών των δύο στερεών υλικών σε ένα σύνθετο ηλεκτρόδιο. Με την αντιμετώπιση του ζητήματος της επαφής ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη, ένα τέτοιο σύνθετο ηλεκτρόδιο στερεού-στερεού παρείχε μια ικανότητα ρυθμού συγκρίσιμη ακόμη και με εκείνη ενός σύνθετου ηλεκτροδίου στερεού-υγρού. Το πιο σημαντικό είναι ότι οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι αυτός ο τύπος επιταξιακής επαφής στερεού-στερεού μπορεί να ανεχθεί μεγάλες αναντιστοιχίες πλέγματος και, επομένως, η στρατηγική που πρότειναν θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε πολλούς άλλους στερεούς ηλεκτρολύτες περοβσκίτη και στρωματοποιημένα ηλεκτρόδια.
«Αυτή η εργασία υπέδειξε μια κατεύθυνση που αξίζει να ακολουθηθεί», δήλωσε ο MA. «Η εφαρμογή της αρχής που τίθεται εδώ σε άλλα σημαντικά υλικά θα μπορούσε να οδηγήσει σε ακόμη καλύτερες επιδόσεις κυττάρων και σε πιο ενδιαφέρουσα επιστήμη. Το περιμένουμε με ανυπομονησία».
Οι ερευνητές σκοπεύουν να συνεχίσουν την εξερεύνησή τους προς αυτή την κατεύθυνση και να εφαρμόσουν την προτεινόμενη στρατηγική σε άλλες καθόδους υψηλής χωρητικότητας και υψηλού δυναμικού.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Matter, ένα κορυφαίο περιοδικό του Cell Press, με τίτλο «Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries». Ο πρώτος συγγραφέας είναι ο LI Fuzhen, μεταπτυχιακός φοιτητής του USTC. Στους συνεργάτες του καθηγητή MA Cheng περιλαμβάνονται ο καθηγητής NAN Ce-Wen από το Πανεπιστήμιο Tsinghua και ο Δρ ZHOU Lin από το Εργαστήριο Ames.
(Σχολή Χημείας και Επιστημών Υλικών)
Σύνδεσμος δημοσίευσης: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Ώρα δημοσίευσης: 03 Ιουνίου 2019