Udvikling af en ny storstilet fremstillingsteknologi til faste sulfidelektrolytter

En forskergruppe i ph.d.-programmet ved Toyohashi University of Technologys afdeling for elektrisk og elektronisk informationsteknik, der omfatter en doktorand Hirotada Gamo og særligt udnævnt adjunkt Jin Nishida, særligt udnævnt lektor Atsushi Nagai, adjunkt Kazuhiro Hikima, professor Atsunori Matsuda og andre udviklede en storstilet fremstillingsteknologi af Li₇ P₃ S₁₁ faste elektrolytter til hel-solid-state lithium-ion sekundære batterier.

Denne metode involverer tilsætning af en for stor mængde svovl (S) sammen med Li₂ S og P₂ S₅ , udgangsmaterialerne til Li₇ P₃ S₁₁ til et opløsningsmiddel indeholdende en blanding af acetonitril (ACN), tetrahydrofuran (THF) og en lille mængde ethanol (EtOH). Dette var med til at forkorte reaktionstiden fra 24 timer eller længere til kun to minutter. Det endelige produkt opnået ved hjælp af denne metode er højrent Li₇ P₃ S₁₁ uden en urenhedsfase, der viste høj ionisk ledningsevne på 1,2 mS cm ^-1 ved 25°C. Disse resultater gør os i stand til at producere en stor mængde faste sulfidelektrolytter til faststofbatterier til en lav pris. Resultaterne af forskningen blev offentliggjort online af Advanced Energy and Sustainability Research den 28. april 2022.

Detaljer

All-solid-state batterier forventes at blive den næste generation af batterier til elektriske køretøjer (EV'er), fordi de er meget sikre og muliggør en overgang til høj energitæthed og høj udgangseffekt. Sulfid faste elektrolytter, som udviser god ionisk ledningsevne og plasticitet, er blevet aktivt udviklet med henblik på anvendelsen af ​​faststof-batterier i elbiler. Der er dog ikke etableret nogen storskala fremstillingsteknologi for faste sulfidelektrolytter på kommercialiseringsniveauet, da faste sulfidelektrolytter er ustabile i atmosfæren, og processen til at syntetisere og behandle dem kræver atmosfærisk kontrol. Af denne grund er der et presserende behov for at udvikle væskefase-fremstillingsteknologien af ​​faste sulfidelektrolytter, der tilbyder billige og høj skalerbarhed.

Li₇ P₃ S₁₁ faste elektrolytter udviser høj ionisk ledningsevne og er derfor en kandidat fast elektrolyt til faststofbatterier. Væskefasesyntesen af ​​Li₇ P₃ S₁₁ forekommer generelt i et acetonitril (ACN) reaktionsopløsningsmiddel via forstadier, herunder uopløselige forbindelser. Konventionelle reaktionsprocesser som denne tager lang tid, da de gennemgår en kinetisk ufordelagtig reaktion fra et uopløseligt udgangsmateriale til et uopløseligt mellemprodukt. Værre er det muligt, at det uopløselige mellemprodukt skaber uensartethed gennem en kompliceret fasedannelse, hvilket fører til en stigning i produktionsomkostninger i stor skala.

På den baggrund arbejdede forskergruppen med udviklingen af ​​en teknologi til væskefaseproduktion af stærkt ionledende Li₇ P₃ S₁₁ faste elektrolytter via ensartede prækursoropløsninger. Det har vist sig, at den nyligt udviklede metode kan opnå en ensartet prækursoropløsning indeholdende opløseligt lithiumpolysulfid (Li₂ S_x ) på kun to minutter ved at tilføje Li₂ S og P₂ S₅ , udgangsmaterialerne til Li₇ P₃ S₁₁ og en for stor mængde S til et opløsningsmiddel indeholdende en blanding af ACN, THF og en lille mængde EtOH. Nøglen til den hurtige syntese i denne metode er dannelsen af ​​lithiumpolysulfid gennem tilsætning af en lille mængde EtOH eller en for stor mængde S.

For at belyse mekanismen for reaktionen i denne metode blev ultraviolet-synlig (UV-Vis) spektroskopi brugt til at undersøge den kemiske stabilitet af Li₂ S_x med og uden tilsat EtOH. Undersøgelsen viste, at tilstedeværelsen af ​​EtOH gjorde Li₂ S_x mere kemisk stabil. Således ville reaktionen i denne metode tage følgende trin. For det første er lithiumioner stærkt koordineret med EtOH, et meget polært opløsningsmiddel. Dernæst stabiliserer afskærmning af polysulfidioner mod lithiumioner meget reaktive S₃ ^{･ -} radikale anioner, som er en slags polysulfid. Den genererede S₃ ^{･ -} angriber P₂ S_5, bryde burstrukturen af ​​P₂ S₅ og får reaktionen til at udvikle sig. Reaktionen danner lithiumthiophosphat, som opløses i et meget opløseligt blandet opløsningsmiddel indeholdende ACN og THF opløsningsmidler. Dette kan have hjulpet med at opnå ensartede prækursoropløsninger meget hurtigt. Det endelige produkt, Li₇ P₃ S₁₁ , kunne fremstilles på to timer uden nødvendigheden af ​​kugleformaling eller højenergibehandling i reaktionsprocessen.

Ionledningsevnen af ​​Li₇ P₃ S₁₁ opnået ved anvendelse af denne metode var 1,2 mS cm ^-1 ved 25 °C, højere end Li₇ P₃ S₁₁ syntetiseret ved hjælp af den konventionelle væskefasesyntesemetode (0,8 mS cm ^-1 ) eller kuglefræsning (1,0 mS cm ^-1 ). Metoden foreslår en ny vej til syntese af en fast sulfidelektrolyt og opnår en storskala fremstillingsteknologi med lave omkostninger.

Fremtidig Outlook

Forskerholdet mener, at den billige teknologi til storstilet fremstilling af faste sulfidelektrolytter til faststofbatterier, der foreslås i denne forskning, kan være vigtig i kommercialiseringen af ​​elbiler udstyret med faststofbatterier. Forskningen fokuserede på Li₇ P₃ S₁₁ til brug som en fast sulfidelektrolyt. Vi ønsker også at anvende denne teknologi til syntese af andre sulfidelektrolytter end Li₇ P₃ S₁₁ . + Udforsk yderligere

Opløsningsmiddeleffekt på væskefasesyntese af faste lithiumelektrolytter