Enkelt atomlag fælde til lithium-ion migration

Den 14. april, Prof. Ma Cheng fra University of Science and Technology of China (USTC) fra Chinese Academy of Sciences (CAS) og hans kolleger rapporterede om en vigtig opdagelse vedrørende mekanismen for Li-ion-migration i faste elektrolytter til batterier, observere en ny type mikroskopisk funktion, der kan påvirke ionisk transport betydeligt.

Solide elektrolytter er nøglekomponenterne til sikker, energitæt, alle-solid-state batterier. Inden stærkt ledende faste elektrolytter kan udvikles på en videnbaseret måde, mekanismen bag Li-ion-migration skal forstås grundigt. I mange materialer, succesen med denne opgave ligger i, om de "ikke-periodiske træk" godt kan forstås, fordi sådanne funktioner ofte forårsager en ændring af størrelsesordenen i ionisk ledningsevne. På nuværende tidspunkt, kun to typer ikke-periodiske funktioner, korngrænser og punktfejl, blev overvejet i de fleste undersøgelser.

Ma's team opdagede en yderligere type ikke-periodisk funktion, der i høj grad påvirker ionisk transport. Ved hjælp af aberrationskorrigeret transmissionselektronmikroskopi, de opdagede et stort antal enkeltatom-defekter i en prototype fast elektrolyt Li _0,33 La _0,56 TiO ₃ . I modsætning til andre velkendte ikke-periodiske træk, den observerede defekt er i det væsentlige en enkeltatomlagsforbindelse, der kun fremkommer på et begrænset antal atomplaner. På grund af disse planers symmetri, forskelligt orienterede defekter danner næsten altid lukkede sløjfer.

"Der er faktisk mange sådanne defekte sløjfer i materialet, men det er meget svært at observere dem, "sagde den første forfatter ZHU Feng, der i øjeblikket er ph.d. studerende ved USTC. "De er kun synlige langs bestemte retninger. Derudover kan på grund af deres ekstreme tyndhed og distraktion fra andre sameksisterende mikrostrukturer, tilstedeværelsen af ​​disse fejl er næppe bemærket. Dette kan forklare, hvorfor de ikke er blevet rapporteret før nu. "

De observerede defekter viste sig at have en atomkonfiguration, der fuldstændigt forbyder Li-ion-migration over det defekte lag. Som resultat, når sådanne defekter danner en lukket sløjfe, Li -ioner kan hverken indtaste eller forlade lydstyrken indeni, og denne del af materiale er således udelukket fra den samlede ioniske transport. Den isolerede lydstyrke på denne måde er så høj som ~ 15%, hvilket kan føre til en til to størrelsesordener reduktion i ionisk ledningsevne.

"Defektløkken fungerer som en Li-ion-fælde:den forhindrer Li-ionerne i det vedlagte volumen i at undslippe, "sagde prof. Ma Cheng fra USTC, undersøgelsens hovedforfatter. "Som sådan, selvom fejlene i sig selv kun er et atom tynde, de kan stadig 'dræbe' meget store mængder af den faste elektrolyt, gør dem ikke-ledende. "

Forskerne opfandt udtrykket "single-atom-layer trap" (SALT) for at beskrive denne unikke egenskab. Dets opdagelse afslører, at andre ikke-periodiske træk end korngrænser og punktdefekter også kan i høj grad ændre ionisk transport, og at lignende undersøgelser er påtrængende på andre faste elektrolytter.