Overvind flaskehalsen af ​​solide elektrolytter til litiumbatterier

Prof. Ma Cheng fra University of Science and Technology of China (USTC) og hans samarbejdspartnere foreslog en effektiv strategi for at løse problemet med elektrode-elektrolytkontakt, der begrænser udviklingen af ​​næste generations solid-state Li-batterier. Den solid-solid kompositelektrode, der blev skabt på denne måde, udviste enestående kapacitet og hastighedsydelse.

Udskiftning af den organiske flydende elektrolyt i konventionelle Li-ion-batterier med solide elektrolytter kan i høj grad afhjælpe sikkerhedsproblemerne, og potentielt bryde "glasloftet" for forbedring af energitætheden. Imidlertid, almindelige elektrodematerialer er også faste stoffer. Da kontakten mellem to faste stoffer er næsten umulig at være så intim som mellem faststof og væske, for tiden udviser batterierne baseret på faste elektrolytter typisk dårlig elektrode-elektrolytkontakt og utilfredsstillende fuldcelleydelse.

"Elektrode-elektrolytkontaktproblemet med solid-state-batterier ligner lidt den korteste stav af en trætønde, "sagde prof. Ma Cheng fra USTC, undersøgelsens hovedforfatter. "Rent faktisk, i løbet af disse år har forskere allerede udviklet mange fremragende elektroder og solide elektrolytter, men den dårlige kontakt mellem dem begrænser stadig effektiviteten af ​​Li-ion-transport. "

Heldigvis, Ma's strategi kan overvinde denne formidable udfordring. Undersøgelsen begyndte med atom-at-atom undersøgelse af en urenhedsfase i en prototype, perovskit-struktureret fast elektrolyt. Selvom krystalstrukturen var meget forskellig mellem urenheden og den faste elektrolyt, de blev observeret for at danne epitaksiale grænseflader. Efter en række detaljerede strukturelle og kemiske analyser, forskere opdagede, at urenhedsfasen er isostrukturel med de højkapacitets Li-rige lagdelte elektroder. Det vil sige, en prototype fast elektrolyt kan krystallisere på "skabelonen" dannet af atomrammen for en højtydende elektrode, hvilket resulterer i atomisk intime grænseflader.

"Dette er virkelig en overraskelse, "sagde den første forfatter Li Fuzhen, som i øjeblikket er kandidatstuderende ved USTC. "Tilstedeværelsen af ​​urenheder i materialet er faktisk et meget almindeligt fænomen, så almindeligt, at de for det meste vil blive ignoreret. Imidlertid, efter at have kigget nærmere på dem, vi opdagede denne uventede epitaksiale adfærd, og det inspirerede direkte vores strategi for at forbedre den solid-solide kontakt. "

Udnytter det observerede fænomen, forskerne krystalliserede bevidst det amorfe pulver med samme sammensætning som den perovskitstrukturerede faste elektrolyt på overfladen af ​​en Li-rig lagdelt forbindelse, og med succes realiseret en grundig, problemfri kontakt mellem disse to faste materialer i en kompositelektrode. Med problemet med elektrode-elektrolytkontakt løst, en sådan fast-fast kompositelektrode leverede en hastighedsevne, der endda var sammenlignelig med den fra en fast-flydende kompositelektrode. Vigtigere, forskerne fandt også, at denne type epitaksial fast-fast kontakt kan tolerere store gitterfejl, og dermed kunne den strategi, de foreslog, også være anvendelig på mange andre perovskit -faste elektrolytter og lagdelte elektroder.

"Dette arbejde pegede på en retning, der er værd at følge, "Sagde Ma." Anvendelse af det princip, der er rejst her på andre vigtige materialer, kan føre til endnu bedre cellepræstationer og mere interessant videnskab. Vi glæder os. "Forskerne agter at fortsætte deres udforskning i denne retning, og anvende den foreslåede strategi på anden højkapacitet, katoder med høj potentiale.

Undersøgelsen er offentliggjort i Stof , et tidsskrift for Cell Press, med titlen "Atomisk intim kontakt mellem faste elektrolytter og elektroder til Li -batterier".