21 sierpnia prof. MA Cheng z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (USTC) wraz ze współpracownikami zaproponował skuteczną strategię rozwiązania problemu styku elektroda-elektrolit, który ogranicza rozwój litowych baterii litowo-jonowych nowej generacji. Stworzona w ten sposób kompozytowa elektroda typu „ciało stałe-ciało stałe” charakteryzowała się wyjątkową pojemnością i wydajnością.
Zastąpienie organicznego elektrolitu ciekłego w konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych elektrolitami stałymi może znacznie zmniejszyć problemy bezpieczeństwa i potencjalnie przełamać „szklany sufit” w zakresie poprawy gęstości energii. Jednak powszechnie stosowane materiały elektrodowe również są ciałami stałymi. Ponieważ kontakt między dwoma ciałami stałymi jest praktycznie niemożliwy do osiągnięcia tak bliskiego kontaktu, jak między ciałem stałym a cieczą, obecnie akumulatory oparte na elektrolitach stałych charakteryzują się zazwyczaj słabym kontaktem elektroda-elektrolit i niezadowalającą wydajnością całego ogniwa.
„Problem kontaktu elektrody z elektrolitem w akumulatorach ze stałym elektrolitem przypomina nieco najkrótszą klepkę drewnianej beczki” – powiedział prof. MA Cheng z USTC, główny autor badania. „W rzeczywistości przez te lata naukowcy opracowali już wiele doskonałych elektrod i stałych elektrolitów, ale słaby kontakt między nimi wciąż ogranicza wydajność transportu litowo-jonowego”.
Na szczęście strategia MA może przezwyciężyć to ogromne wyzwanie. Badania rozpoczęły się od analizy atom po atomie fazy domieszkowej w prototypowym elektrolicie stałym o strukturze perowskitu. Chociaż struktura krystaliczna domieszki i stałego elektrolitu znacznie się różniła, zaobserwowano, że tworzą one interfejsy epitaksjalne. Po serii szczegółowych analiz strukturalnych i chemicznych naukowcy odkryli, że faza domieszkowa jest izostrukturalna z warstwowymi elektrodami bogatymi w lit o dużej pojemności. Oznacza to, że prototypowy elektrolit stały może krystalizować na „szablonie” utworzonym przez strukturę atomową wysokowydajnej elektrody, tworząc atomowo bliskie interfejsy.
„To prawdziwa niespodzianka” – powiedział pierwszy autor, LI Fuzhen, który obecnie jest studentem USTC. „Obecność zanieczyszczeń w materiale jest w rzeczywistości bardzo powszechnym zjawiskiem, tak powszechnym, że w większości przypadków jest ignorowana. Jednak po bliższym przyjrzeniu się im odkryliśmy to nieoczekiwane zachowanie epitaksjalne, które bezpośrednio zainspirowało naszą strategię poprawy kontaktu ciało stałe-ciało stałe”.
W porównaniu do powszechnie stosowanej metody tłoczenia na zimno, strategia proponowana przez badaczy umożliwia uzyskanie dokładnego, bezproblemowego kontaktu między stałymi elektrolitami a elektrodami w skali atomowej, co odzwierciedla obraz uzyskany za pomocą mikroskopu elektronowego o rozdzielczości atomowej. (Opracowane przez zespół MA.)
Wykorzystując zaobserwowane zjawisko, naukowcy celowo skrystalizowali amorficzny proszek o takim samym składzie jak stały elektrolit o strukturze perowskitu na powierzchni związku warstwowego bogatego w lit, uzyskując w ten sposób dokładny i bezproblemowy kontakt między tymi dwoma materiałami stałymi w elektrodzie kompozytowej. Po rozwiązaniu problemu kontaktu elektroda-elektrolit, taka kompozytowa elektroda ciało stałe-ciało stałe zapewniła wydajność porównywalną nawet z elektrodą kompozytową ciało stałe-ciecz. Co ważniejsze, naukowcy odkryli również, że ten typ epitaksjalnego kontaktu ciało stałe-ciało stałe może tolerować duże niedopasowania sieci krystalicznej, a zatem proponowana przez nich strategia może być również zastosowana do wielu innych perowskitowych elektrolitów stałych i elektrod warstwowych.
„Ta praca wskazała kierunek, który warto obrać” – powiedział MA. „Zastosowanie tej zasady do innych ważnych materiałów może doprowadzić do jeszcze lepszej wydajności ogniw i ciekawszych badań. Z niecierpliwością czekamy na to”.
Naukowcy zamierzają kontynuować badania w tym kierunku i zastosować proponowaną strategię do innych katod o dużej pojemności i wysokim potencjale.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Matter”, flagowym czasopiśmie wydawnictwa Cell Press, pod tytułem „Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries”. Pierwszym autorem jest LI Fuzhen, studentka USTC. Wśród współpracowników prof. MA Chenga znajdują się prof. NAN Ce-Wen z Uniwersytetu Tsinghua i dr ZHOU Lin z Ames Laboratory.
(Wydział Chemii i Nauk o Materiałach)
Link do artykułu: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Czas publikacji: 03-06-2019