Dňa 21. augusta profesor MA Cheng z Čínskej univerzity vedy a techniky (USTC) a jeho spolupracovníci navrhli účinnú stratégiu na riešenie problému kontaktu elektródy a elektrolytu, ktorý obmedzuje vývoj lítiových batérií v pevnom skupenstve novej generácie. Takto vytvorená kompozitná elektróda z pevného materiálu vykazovala výnimočné kapacity a rýchlosti.
Nahradenie organického kvapalného elektrolytu v konvenčných lítium-iónových batériách pevnými elektrolytmi môže výrazne zmierniť bezpečnostné problémy a potenciálne prelomiť „sklenený strop“ pre zlepšenie hustoty energie. Bežné elektródové materiály sú však tiež pevné látky. Keďže kontakt medzi dvoma pevnými látkami je takmer nemožné dosiahnuť taký tesný kontakt ako medzi pevnou látkou a kvapalinou, v súčasnosti batérie na báze pevných elektrolytov zvyčajne vykazujú slabý kontakt medzi elektródou a elektrolytom a neuspokojivý výkon celého článku.
„Problém s kontaktom elektródy a elektrolytu v polovodičových batériách je trochu ako najkratšia palica na drevenom sude,“ povedal profesor MA Cheng z USTC, hlavný autor štúdie. „V skutočnosti už výskumníci za tie roky vyvinuli mnoho vynikajúcich elektród a pevných elektrolytov, ale slabý kontakt medzi nimi stále obmedzuje účinnosť transportu lítium-iónov.“
Našťastie, stratégia MA môže prekonať túto náročnú výzvu. Štúdia sa začala skúmaním fázy nečistôt atóm po atóme v prototype perovskitom štruktúrovaného pevného elektrolytu. Hoci sa kryštalická štruktúra medzi nečistotou a pevným elektrolytom značne líšila, pozorovalo sa, že tvoria epitaxné rozhrania. Po sérii podrobných štrukturálnych a chemických analýz výskumníci zistili, že fáza nečistôt je izoštrukturálna s vysokokapacitnými vrstevnatými elektródami bohatými na lítium. To znamená, že prototyp pevného elektrolytu môže kryštalizovať na „šablóne“ tvorenej atómovou štruktúrou vysokovýkonnej elektródy, čo vedie k atómovo úzkym rozhraniam.
„Toto je skutočne prekvapenie,“ povedal prvý autor LI Fuzhen, ktorý je v súčasnosti doktorandom USTC. „Prítomnosť nečistôt v materiáli je v skutočnosti veľmi bežný jav, taký bežný, že sa väčšinou ignoruje. Po ich dôkladnom preskúmaní sme však objavili toto neočakávané epitaxné správanie a priamo nás inšpirovalo k stratégii zlepšenia kontaktu tuhé látky s tuhými látkami.“
V porovnaní s bežne používaným prístupom lisovania za studena dokáže stratégia navrhnutá výskumníkmi dosiahnuť dôkladný a bezproblémový kontakt medzi pevnými elektrolytmi a elektródami v atómovom meradle, čo sa odráža na snímke z atómovej elektrónovej mikroskopie. (Poskytol tím MA.)
Využívajúc pozorovaný jav, výskumníci zámerne kryštalizovali amorfný prášok s rovnakým zložením ako perovskitovo štruktúrovaný pevný elektrolyt na povrchu vrstevnatej zlúčeniny bohatej na lítium a úspešne dosiahli dôkladný a bezproblémový kontakt medzi týmito dvoma pevnými materiálmi v kompozitnej elektróde. Vďaka vyriešeniu problému kontaktu elektróda-elektrolyt poskytla takáto kompozitná elektróda pevná látka-pevná látka rýchlosť prenosu porovnateľnú s kompozitnou elektródou pevná látka-kvapalina. A čo je dôležitejšie, výskumníci tiež zistili, že tento typ epitaxného kontaktu pevná látka-pevná látka môže tolerovať veľké mriežkové nesúlady, a preto by stratégia, ktorú navrhli, mohla byť použiteľná aj pre mnoho iných perovskitových pevných elektrolytov a vrstevnatých elektród.
„Táto práca poukázala na smer, ktorým sa oplatí pokračovať,“ povedal MA. „Aplikácia tu uvedeného princípu na iné dôležité materiály by mohla viesť k ešte lepším bunkovým výkonom a zaujímavejšej vede. Tešíme sa na to.“
Výskumníci majú v úmysle pokračovať vo svojom výskume týmto smerom a aplikovať navrhovanú stratégiu na iné vysokokapacitné katódy s vysokým potenciálom.
Štúdia bola publikovaná v časopise Matter, vlajkovom časopise Cell Press, s názvom „Atomicky úzky kontakt medzi pevnými elektrolytmi a elektródami pre lítiové batérie“. Prvým autorom je LI Fuzhen, doktorand USTC. Medzi spolupracovníkov prof. MA Chenga patria prof. NAN Ce-Wen z Univerzity Tsinghua a Dr. ZHOU Lin z Ames Laboratory.
(Fakulta chémie a materiálových vied)
Odkaz na článok: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Čas uverejnenia: 3. júna 2019