Den 21. august foreslog professor MA Cheng fra University of Science and Technology of China (USTC) og hans samarbejdspartnere en effektiv strategi til at løse problemet med elektrode-elektrolyt-kontakt, der begrænser udviklingen af næste generations solid-state Li-batterier. Den solid-fast kompositelektrode, der blev fremstillet på denne måde, udviste exceptionelle kapaciteter og hastighedsydelser.
Udskiftning af den organiske flydende elektrolyt i konventionelle Li-ion-batterier med faste elektrolytter kan i høj grad afhjælpe sikkerhedsproblemerne og potentielt bryde "glasloftet" for forbedring af energitætheden. Imidlertid er almindelige elektrodematerialer også faste stoffer. Da kontakten mellem to faste stoffer er næsten umulig at være så tæt som mellem fast og flydende, udviser batterier baseret på faste elektrolytter i øjeblikket typisk dårlig elektrode-elektrolyt-kontakt og utilfredsstillende ydeevne som helcelle.
"Problemet med elektrode-elektrolyt-kontakt i faststofbatterier minder lidt om den korteste stav i en trætønde," sagde professor MA Cheng fra USTC, hovedforfatter af studiet. "Faktisk har forskere i løbet af disse år allerede udviklet mange fremragende elektroder og faste elektrolytter, men den dårlige kontakt mellem dem begrænser stadig effektiviteten af Li-ion-transport."
Heldigvis kan MA's strategi muligvis overvinde denne formidable udfordring. Undersøgelsen begyndte med en atom-for-atom-undersøgelse af en urenhedsfase i en prototype, perovskitstruktureret fast elektrolyt. Selvom krystalstrukturen afveg meget mellem urenheden og den faste elektrolyt, blev det observeret, at de dannede epitaksiale grænseflader. Efter en række detaljerede strukturelle og kemiske analyser opdagede forskerne, at urenhedsfasen er isostrukturel med de højkapacitets, litiumrige lagdelte elektroder. Det vil sige, at en prototype fast elektrolyt kan krystallisere på den "skabelon", der dannes af det atomare rammeværk i en højtydende elektrode, hvilket resulterer i atomart intime grænseflader.
"Dette er virkelig en overraskelse," sagde førsteforfatteren LI Fuzhen, som i øjeblikket er kandidatstuderende på USTC. "Tilstedeværelsen af urenheder i materialet er faktisk et meget almindeligt fænomen, så almindeligt, at de det meste af tiden vil blive ignoreret. Men efter at have kigget nærmere på dem opdagede vi denne uventede epitaksiale adfærd, og den inspirerede direkte vores strategi til at forbedre faststof-faststof-kontakten."
Sammenlignet med den almindeligt anvendte koldpresningsmetode kan den strategi, som forskerne foreslår, realisere en grundig, problemfri kontakt mellem faste elektrolytter og elektroder på atomar skala, som det afspejles i elektronmikroskopibilledet med atomopløsning. (Leveret af MA's team.)
Ved at udnytte det observerede fænomen krystalliserede forskerne bevidst det amorfe pulver med samme sammensætning som den perovskitstrukturerede faste elektrolyt på overfladen af en Li-rig lagdelt forbindelse og realiserede med succes en grundig, problemfri kontakt mellem disse to faste materialer i en kompositelektrode. Med problemet med elektrode-elektrolyt-kontakt løst, leverede en sådan fast-fast kompositelektrode en hastighedskapacitet, der endda var sammenlignelig med den fra en fast-væske-kompositelektrode. Endnu vigtigere fandt forskerne også, at denne type epitaksial fast-fast kontakt kan tolerere store gitterafvigelser, og derfor kunne den strategi, de foreslog, også anvendes på mange andre perovskitfaste elektrolytter og lagdelte elektroder.
"Dette arbejde udpegede en retning, der er værd at forfølge," sagde MA. "Anvendelse af det her rejste princip på andre vigtige materialer kan føre til endnu bedre cellepræstationer og mere interessant videnskab. Vi ser frem til det."
Forskerne har til hensigt at fortsætte deres udforskning i denne retning og anvende den foreslåede strategi på andre katoder med høj kapacitet og højt potentiale.
Undersøgelsen blev offentliggjort i Matter, et flagskibstidsskrift for Cell Press, med titlen "Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries". Førsteforfatter er LI Fuzhen, en kandidatstuderende ved USTC. Professor MA Chengs samarbejdspartnere inkluderer professor NAN Ce-Wen fra Tsinghua University og Dr. ZHOU Lin fra Ames Laboratory.
(Skolen for Kemi og Materialevidenskab)
Link til artikel: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Opslagstidspunkt: 3. juni 2019