Pe 21 august, prof. MA Cheng de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China (USTC) și colaboratorii săi au propus o strategie eficientă pentru a aborda problema contactului electrod-electrolit care limitează dezvoltarea bateriilor Li în stare solidă de generație următoare. Electrodul compozit solid-solid creat în acest mod a demonstrat capacități și performanțe de viteză excepționale.
Înlocuirea electrolitului lichid organic din bateriile Li-ion convenționale cu electroliți solizi poate atenua considerabil problemele de siguranță și poate sparge „plafonul de sticlă” pentru îmbunătățirea densității energiei. Cu toate acestea, materialele electrozilor convenționale sunt, de asemenea, solide. Deoarece contactul dintre două solide este aproape imposibil să fie la fel de intim ca cel dintre solid și lichid, în prezent, bateriile bazate pe electroliți solizi prezintă de obicei un contact slab electrod-electrolit și performanțe nesatisfăcătoare pe întreaga celulă.
„Problema contactului electrod-electrolit în cazul bateriilor în stare solidă este oarecum similară cu cea mai scurtă bară a unui butoi de lemn”, a declarat prof. MA Cheng de la USTC, autorul principal al studiului. „De fapt, de-a lungul anilor, cercetătorii au dezvoltat deja mulți electrozi și electroliți solizi excelenți, dar contactul slab dintre ei limitează în continuare eficiența transportului ionilor de litiu.”
Din fericire, strategia MA ar putea depăși această provocare formidabilă. Studiul a început cu examinarea atom cu atom a unei faze de impuritate într-un prototip de electrolit solid cu structură perovskită. Deși structura cristalină a diferit foarte mult între impuritate și electrolitul solid, s-a observat că acestea formează interfețe epitaxiale. După o serie de analize structurale și chimice detaliate, cercetătorii au descoperit că faza de impuritate este izostructurală cu electrozii stratificați bogați în Li de mare capacitate. Adică, un prototip de electrolit solid se poate cristaliza pe „șablonul” format de structura atomică a unui electrod de înaltă performanță, rezultând interfețe intime din punct de vedere atomic.
„Este cu adevărat o surpriză”, a declarat autorul principal, LI Fuzhen, în prezent student absolvent la USTC. „Prezența impurităților în material este de fapt un fenomen foarte frecvent, atât de comun încât, de cele mai multe ori, acestea sunt ignorate. Cu toate acestea, după ce le-am analizat cu atenție, am descoperit acest comportament epitaxial neașteptat, care ne-a inspirat direct strategia de îmbunătățire a contactului solid-solid.”
Comparativ cu abordarea de presare la rece adoptată în mod obișnuit, strategia propusă de cercetători poate realiza un contact complet și perfect între electroliții solizi și electrozi la scară atomică, așa cum se reflectă în imaginea de microscopie electronică cu rezoluție atomică. (Furnizată de echipa MA.)
Profitând de fenomenul observat, cercetătorii au cristalizat intenționat pulberea amorfă cu aceeași compoziție ca și electrolitul solid cu structură perovskită pe suprafața unui compus stratificat bogat în Li și au realizat cu succes un contact complet și perfect între aceste două materiale solide într-un electrod compozit. Odată rezolvată problema contactului electrod-electrolit, un astfel de electrod compozit solid-solid a oferit o capacitate de debit chiar comparabilă cu cea a unui electrod compozit solid-lichid. Mai important, cercetătorii au descoperit, de asemenea, că acest tip de contact epitaxial solid-solid poate tolera nepotriviri mari de rețea și, prin urmare, strategia propusă ar putea fi aplicabilă și multor alți electroliți solizi perovskiți și electrozi stratificați.
„Această lucrare a indicat o direcție care merită urmată”, a spus MA. „Aplicarea principiului ridicat aici la alte materiale importante ar putea duce la performanțe celulare și mai bune și la o știință mai interesantă. Așteptăm cu nerăbdare acest lucru.”
Cercetătorii intenționează să continue explorarea în această direcție și să aplice strategia propusă și altor catozi de mare capacitate și potențial ridicat.
Studiul a fost publicat în Matter, o revistă emblematică a Cell Press, intitulată „Contact atomic intim între electroliți solizi și electrozi pentru baterii Li”. Primul autor este LI Fuzhen, student absolvent al USTC. Printre colaboratorii profesorului MA Cheng se numără profesorul NAN Ce-Wen de la Universitatea Tsinghua și Dr. ZHOU Lin de la Laboratorul Ames.
(Școala de Chimie și Științe ale Materialelor)
Legătură către lucrare: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Data publicării: 03 iunie 2019