Gør det krystalklart:Krystallinitet reducerer modstanden i all-solid-state batterier

Forskere ved Tokyo Institute of Technology har undersøgt mekanismerne bag modstanden ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen på hel-solid-state batterier. Deres resultater vil hjælpe med udviklingen af ​​meget bedre Li-ion-batterier med meget hurtige opladnings-/afladningshastigheder.

Design og forbedring af lithium-ion (Li-ion) batterier er afgørende for at udvide grænserne for moderne elektroniske enheder og elektriske køretøjer, fordi Li-ion batterier er praktisk talt allestedsnærværende. Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), ledet af prof. Taro Hitosugi, havde tidligere rapporteret en ny type hel-solid-state batteri, også baseret på lithium-ioner, som overvandt et af de store problemer ved disse batterier:høj modstand ved grænsefladen mellem elektroderne og elektrolytterne, der begrænser hurtig opladning/afladning.

Selvom de enheder, de producerede, var meget lovende og var meget bedre end konventionelle Li-ion-batterier i nogle henseender, mekanismen bag den reducerede grænseflademodstand var uklar. Det har været svært at analysere de nedgravede grænseflader i hel-solid-state batterier uden at beskadige deres lag. Derfor, Hitosugi og hans team af forskere undersøgte igen all-solid-state batterier for at kaste lys over dette emne. De havde mistanke om, at krystallinitet (hvilket indikerer, hvor velordnet og periodisk et fast stof er) ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen spillede en nøglerolle i at definere grænseflademodstanden.

For at bevise dette, de fremstillede to forskellige all-solid-state batterier sammensat af elektrode- og elektrolytlag ved hjælp af en pulseret laseraflejringsteknik. Et af disse batterier havde formodentlig høj krystallinitet ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen, hvorimod den anden ikke gjorde. Bekræftelse af dette var muligt ved at bruge en ny teknik kaldet røntgenkrystalafkortnings-stavspredningsanalyse. "Røntgenstråler kan nå de nedgravede grænseflader uden at ødelægge strukturerne, " forklarer Hitosugi.

Baseret på deres resultater, holdet konkluderede, at en meget krystallinsk elektrode-elektrolyt-grænseflade resulterede i lav grænseflademodstand, giver et højtydende batteri. Ved at analysere den mikroskopiske struktur af deres batteriers grænseflader, de foreslog en plausibel forklaring på den øgede modstand af batterier med mindre krystallinske grænseflader. Lithium-ioner sidder fast ved de mindre krystallinske grænseflader, hæmmer ionledningsevnen. "Kontrolleret fremstilling af elektrolyt/elektrode-grænsefladen er afgørende for at opnå lav grænseflademodstand, " forklarer Hitosugi. Udviklingen af ​​teorier og simuleringer for yderligere at forstå migrationen af ​​Li-ioner vil være afgørende for endelig at opnå nyttige og forbedrede batterier til alle slags enheder baseret på elektrokemi.