Den 21 augusti föreslog professor MA Cheng från University of Science and Technology of China (USTC) och hans medarbetare en effektiv strategi för att hantera problemet med elektrod-elektrolytkontakt som begränsar utvecklingen av nästa generations solid state Li-batterier. Den solid-solid-kompositelektrod som skapades på detta sätt uppvisade exceptionella kapaciteter och hastighetsprestanda.
Att ersätta den organiska flytande elektrolyten i konventionella litiumjonbatterier med fasta elektrolyter kan avsevärt minska säkerhetsproblemen och potentiellt bryta "glastaket" för förbättring av energitätheten. Vanliga elektrodmaterial är dock också fasta. Eftersom kontakten mellan två fasta ämnen är nästan omöjlig att vara lika intim som mellan fast och flytande material, uppvisar batterier baserade på fasta elektrolyter för närvarande vanligtvis dålig elektrod-elektrolyt-kontakt och otillfredsställande prestanda för hela cellen.
”Problemet med elektrod-elektrolyt-kontakten i fastkroppsbatterier är ungefär som den kortaste staven i en trätunna”, säger professor MA Cheng från USTC, huvudförfattare till studien. ”Faktum är att forskare under dessa år redan har utvecklat många utmärkta elektroder och fasta elektrolyter, men den dåliga kontakten mellan dem begränsar fortfarande effektiviteten hos litiumjontransport.”
Lyckligtvis kan MA:s strategi övervinna denna formidabla utmaning. Studien började med en atom-för-atom-undersökning av en föroreningsfas i en prototyp av en perovskitstrukturerad fast elektrolyt. Även om kristallstrukturen skilde sig kraftigt mellan föroreningen och den fasta elektrolyten, observerades de bilda epitaxiella gränssnitt. Efter en serie detaljerade strukturella och kemiska analyser upptäckte forskarna att föroreningsfasen är isostrukturell med de högkapacitets Li-rika skiktade elektroderna. Det vill säga att en prototyp av en fast elektrolyt kan kristallisera på "mallen" som bildas av det atomära ramverket i en högpresterande elektrod, vilket resulterar i atomiskt intima gränssnitt.
”Det här är verkligen en överraskning”, sa förstaförfattaren LI Fuzhen, som för närvarande är doktorand vid USTC. ”Förekomsten av föroreningar i materialet är faktiskt ett mycket vanligt fenomen, så vanligt att de för det mesta ignoreras. Men efter att ha tittat närmare på dem upptäckte vi detta oväntade epitaxiella beteende, och det inspirerade direkt vår strategi för att förbättra fast-fast-kontakten.”
Jämfört med den allmänt använda kallpressningsmetoden kan den strategi som forskarna föreslagit uppnå en grundlig, sömlös kontakt mellan fasta elektrolyter och elektroder på atomär skala, vilket återspeglas i elektronmikroskopibilden med atomär upplösning. (Tillhandahållen av MA:s team.)
Genom att utnyttja det observerade fenomenet kristalliserade forskarna avsiktligt det amorfa pulvret med samma sammansättning som den perovskitstrukturerade fasta elektrolyten på ytan av en Li-rik skiktad förening, och framgångsrikt uppnådde en grundlig, sömlös kontakt mellan dessa två fasta material i en kompositelektrod. Med problemet med elektrod-elektrolyt-kontakt åtgärdat levererade en sådan fast-fast kompositelektrod en hastighetskapacitet som var till och med jämförbar med den från en fast-flytande kompositelektrod. Ännu viktigare är att forskarna också fann att denna typ av epitaxiell fast-fast-kontakt kan tolerera stora gittermissmatchningar, och därmed skulle den strategi de föreslog även kunna tillämpas på många andra perovskitfasta elektrolyter och skiktade elektroder.
”Det här arbetet pekade ut en riktning som är värd att följa”, sa MA. ”Att tillämpa principen som tas upp här på andra viktiga material skulle kunna leda till ännu bättre cellprestanda och mer intressant vetenskap. Vi ser fram emot det.”
Forskarna avser att fortsätta sin utforskning i denna riktning och tillämpa den föreslagna strategin på andra katoder med hög kapacitet och hög potential.
Studien publicerades i Matter, en flaggskeppstidskrift för Cell Press, med titeln "Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries". Förstaförfattaren är LI Fuzhen, doktorand vid USTC. Professor MA Chengs samarbetspartners inkluderar professor NAN Ce-Wen från Tsinghua University och Dr. ZHOU Lin från Ames Laboratory.
(Skolan för kemi och materialvetenskap)
Länk till artikeln: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Publiceringstid: 3 juni 2019