На 21 август проф. М.А. Ченг от Китайския университет за наука и технологии (USTC) и неговите сътрудници предложиха ефективна стратегия за справяне с проблема с контакта между електрода и електролита, който ограничава разработването на твърдотелни литиеви батерии от следващо поколение. Създаденият по този начин твърдотелен композитен електрод показа изключителен капацитет и скорост на работа.
Замяната на течния органичен електролит в конвенционалните литиево-йонни батерии с твърди електролити може значително да облекчи проблемите с безопасността и потенциално да разчупи „стъкления таван“ за подобряване на енергийната плътност. Въпреки това, масовите електродни материали също са твърди вещества. Тъй като контактът между две твърди вещества е почти невъзможно да бъде толкова интимен, колкото този между твърдо вещество и течност, в момента батериите, базирани на твърди електролити, обикновено показват лош контакт между електрода и електролита и незадоволителни характеристики на цялата клетка.
„Проблемът с контакта между електродите и електролитите при твърдотелните батерии е донякъде като най-късата дъска на дървена бъчва“, каза проф. М.А. Ченг от USTC, водещ автор на изследването. „Всъщност през тези години изследователите вече са разработили много отлични електроди и твърди електролити, но лошият контакт между тях все още ограничава ефективността на литиево-йонния транспорт.“
За щастие, стратегията на MA може да преодолее това сериозно предизвикателство. Изследването започна с атомно изследване на примесна фаза в прототип на твърд електролит със структура от перовскит. Въпреки че кристалната структура се различаваше значително между примеса и твърдия електролит, беше наблюдавано, че те образуват епитаксиални интерфейси. След серия от подробни структурни и химични анализи, изследователите откриха, че примесната фаза е изоструктурна с висококапацитетните слоести електроди, богати на литий. Тоест, прототип на твърд електролит може да кристализира върху „шаблона“, образуван от атомната рамка на високопроизводителен електрод, което води до атомно близки интерфейси.
„Това е истинска изненада“, каза първият автор Ли Фужен, който в момента е докторант в USTC. „Наличието на примеси в материала всъщност е много често срещано явление, толкова често срещано, че през повечето време те ще бъдат игнорирани. След като ги разгледахме внимателно обаче, открихме това неочаквано епитаксиално поведение и то директно вдъхнови нашата стратегия за подобряване на контакта твърдо тяло-твърдо тяло.“
В сравнение с широко възприетия подход за студено пресоване, стратегията, предложена от изследователите, може да осъществи цялостен, безпроблемен контакт между твърди електролити и електроди в атомен мащаб, както е отразено в изображението, получено от електронна микроскопия с атомна резолюция. (Предоставено от екипа на MA.)
Възползвайки се от наблюдаваното явление, изследователите умишлено кристализираха аморфния прах със същия състав като перовскитно-структурирания твърд електролит върху повърхността на богато на литий слоесто съединение и успешно реализираха цялостен, безшевен контакт между тези два твърди материала в композитен електрод. След като проблемът с контакта електрод-електролит беше решен, такъв твърдо-твърд композитен електрод осигури скорост на разцепване, сравнима дори с тази на твърдо-течен композитен електрод. По-важното е, че изследователите откриха също, че този тип епитаксиален твърдо-твърд контакт може да толерира големи несъответствия в решетката и по този начин предложената от тях стратегия може да бъде приложима и за много други перовскитни твърди електролити и слоести електроди.
„Тази работа посочи посока, която си струва да се следва“, каза MA. „Прилагането на принципа, повдигнат тук, към други важни материали би могло да доведе до още по-добри клетъчни характеристики и по-интересна наука. Очакваме го с нетърпение.“
Изследователите възнамеряват да продължат изследванията си в тази посока и да приложат предложената стратегия към други катоди с висок капацитет и висок потенциал.
Изследването е публикувано в Matter, водещо списание на Cell Press, озаглавено „Атомно интимен контакт между твърди електролити и електроди за литиеви батерии“. Първият автор е Ли Фуджън, докторант от USTC. Сътрудниците на проф. М. А. Ченг включват проф. НАН Се-Уен от университета Цинхуа и д-р Джоу Лин от лабораторията на Еймс.
(Училище по химия и материалознание)
Връзка към статията: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Време на публикуване: 03 юни 2019 г.