21. augustā Ķīnas Zinātnes un tehnoloģiju universitātes (USTC) profesors MA Čens un viņa līdzstrādnieki ierosināja efektīvu stratēģiju, lai risinātu elektrodu un elektrolītu kontakta problēmu, kas ierobežo nākamās paaudzes cietvielu Li akumulatoru izstrādi. Šādi izveidotais cietvielu kompozītmateriāla elektrods uzrādīja izcilas ietilpības un ātruma rādītājus.
Parasto litija jonu akumulatoru organiskā šķidrā elektrolīta aizstāšana ar cietajiem elektrolītiem var ievērojami mazināt drošības problēmas un potenciāli pārraut "stikla griestus" enerģijas blīvuma uzlabošanai. Tomēr arī galvenie elektrodu materiāli ir cietas vielas. Tā kā kontakts starp divām cietvielām ir gandrīz neiespējams būt tikpat ciešs kā starp cietvielu un šķidrumu, pašlaik uz cietajiem elektrolītiem balstītajiem akumulatoriem parasti ir slikts elektroda un elektrolīta kontakts un neapmierinoša pilnšūnu veiktspēja.
“Cietvielu akumulatoru elektrodu un elektrolītu kontakta problēma ir nedaudz līdzīga īsākajam koka mucas stabam,” sacīja pētījuma vadošais autors, profesors MA Čens no USTC. “Patiesībā šo gadu laikā pētnieki jau ir izstrādājuši daudzus izcilus elektrodus un cietos elektrolītus, taču sliktais kontakts starp tiem joprojām ierobežo litija jonu transporta efektivitāti.”
Par laimi, MA stratēģija var pārvarēt šo sarežģīto izaicinājumu. Pētījums sākās ar piemaisījumu fāzes atomu pa atomam izpēti prototipā, perovskīta struktūras cietajā elektrolītā. Lai gan kristāla struktūra starp piemaisījumu un cieto elektrolītu ievērojami atšķīrās, tika novērots, ka tie veido epitaksiālas saskarnes. Pēc virknes detalizētu strukturālo un ķīmisko analīžu pētnieki atklāja, ka piemaisījumu fāze ir izostrukturāla ar augstas ietilpības Li-bagātinātajiem slāņveida elektrodiem. Tas nozīmē, ka prototipa cietais elektrolīts var kristalizēties uz "veidnes", ko veido augstas veiktspējas elektroda atomu karkass, kā rezultātā veidojas atomiski intīmas saskarnes.
“Tas patiesi ir pārsteigums,” sacīja pirmais autors LI Fužens, kurš pašlaik ir USTC maģistrants. “Piemaisījumu klātbūtne materiālā patiesībā ir ļoti izplatīta parādība, tik izplatīta, ka lielākoties tie tiek ignorēti. Tomēr, rūpīgi tos izpētot, mēs atklājām šo negaidīto epitaksiālo uzvedību, un tā tieši iedvesmoja mūsu stratēģiju cietvielu kontakta uzlabošanai.”
Salīdzinot ar vispārpieņemto aukstās presēšanas metodi, pētnieku piedāvātā stratēģija var panākt pilnīgu, nemanāmu kontaktu starp cietajiem elektrolītiem un elektrodiem atomu līmenī, kā tas atspoguļojas atomu izšķirtspējas elektronmikroskopijas attēlā. (Nodrošina MA komanda.)
Izmantojot novēroto parādību, pētnieki apzināti kristalizēja amorfo pulveri ar tādu pašu sastāvu kā perovskīta struktūras cietajam elektrolītam uz Li-bagāta slāņaina savienojuma virsmas un veiksmīgi realizēja pilnīgu, nemanāmu kontaktu starp šiem diviem cietajiem materiāliem kompozīta elektrodā. Atrisinot elektroda-elektrolīta kontakta problēmu, šāds cietvielu-cietvielu kompozītmateriāla elektrods nodrošināja ātruma spēju, kas ir salīdzināma pat ar cietvielu-šķidruma kompozītmateriāla elektrodu. Vēl svarīgāk ir tas, ka pētnieki arī atklāja, ka šāda veida epitaksiālais cietvielu-cietvielu kontakts var izturēt lielas režģa neatbilstības, un tādēļ viņu piedāvātā stratēģija varētu būt piemērojama arī daudziem citiem perovskīta cietajiem elektrolītiem un slāņainiem elektrodiem.
“Šis darbs norādīja virzienu, kurā ir vērts turpināt,” sacīja MA. “Šeit izvirzītā principa piemērošana citiem svarīgiem materiāliem varētu novest pie vēl labākas šūnu veiktspējas un interesantākas zinātnes. Mēs to gaidām ar nepacietību.”
Pētnieki plāno turpināt izpēti šajā virzienā un pielietot ierosināto stratēģiju citiem augstas ietilpības, augsta potenciāla katodiem.
Pētījums tika publicēts žurnālā Matter, kas ir Cell Press vadošais žurnāls, ar nosaukumu “Atomiski ciešs kontakts starp cietajiem elektrolītiem un elektrodiem litija akumulatoriem”. Pirmais autors ir LI Fužeņs, ASV Universitātes Ķīmijas koledžas (USTC) doktorants. Profesora MA Čena līdzstrādnieku vidū ir profesors NANs Ce-Vens no Tsinghua universitātes un Dr. Džou Lins no Eimsa laboratorijas.
(Ķīmijas un materiālzinātņu skola)
Raksta saite: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Publicēšanas laiks: 2019. gada 3. jūnijs