Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston (USTC) professori MA Cheng ja hänen yhteistyökumppaninsa ehdottivat 21. elokuuta tehokkaan strategian elektrodin ja elektrolyytin välisen kosketuksen ongelman ratkaisemiseksi, joka rajoittaa seuraavan sukupolven litium-akkujen kehitystä. Tällä tavoin luotu kiinteä-kiinteä-komposiittielektrodi osoitti poikkeuksellisen suuren kapasiteetin ja nopeusominaisuudet.
Perinteisten litiumioniakkujen orgaanisen nestemäisen elektrolyytin korvaaminen kiinteillä elektrolyyteillä voi merkittävästi lievittää turvallisuusongelmia ja mahdollisesti rikkoa "lasikaton" energiatiheyden parantamiseksi. Yleisimmät elektrodimateriaalit ovat kuitenkin myös kiinteitä aineita. Koska kahden kiinteän aineen välinen kosketus on lähes mahdotonta olla yhtä läheinen kuin kiinteän aineen ja nesteen välillä, kiinteisiin elektrolyytteihin perustuvilla akuilla on tällä hetkellä tyypillisesti huono elektrodi-elektrolyytti-kontakti ja epätyydyttävä kokokennojen suorituskyky.
”Kiinteiden akkujen elektrodi-elektrolyyttikontakti on kuin puisen tynnyrin lyhin sauva”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja, USTC:n professori MA Cheng. ”Itse asiassa tutkijat ovat näiden vuosien aikana kehittäneet monia erinomaisia elektrodeja ja kiinteitä elektrolyyttejä, mutta niiden välinen huono kontakti rajoittaa edelleen litiumionien kuljetuksen tehokkuutta.”
Onneksi MA:n strategia voi ratkaista tämän valtavan haasteen. Tutkimus aloitettiin epäpuhtausfaasin atomi atomilta -tutkimuksella prototyypissä, perovskiittirakenteisessa kiinteässä elektrolyytissä. Vaikka epäpuhtauden ja kiinteän elektrolyytin kiderakenne erosi suuresti toisistaan, niiden havaittiin muodostavan epitaksiaalisia rajapintoja. Useiden yksityiskohtaisten rakenne- ja kemiallisten analyysien jälkeen tutkijat havaitsivat, että epäpuhtausfaasi on isostruktuurinen suuren kapasiteetin Li-pitoisten kerroselektrodien kanssa. Toisin sanoen prototyyppinen kiinteä elektrolyytti voi kiteytyä korkean suorituskyvyn elektrodin atomirungon muodostamalle "templaatille", mikä johtaa atomaarisesti läheisiin rajapintoihin.
”Tämä on todella yllätys”, sanoi ensimmäinen kirjoittaja LI Fuzhen, joka on tällä hetkellä USTC:n jatko-opiskelija. ”Epäpuhtauksien esiintyminen materiaalissa on itse asiassa hyvin yleinen ilmiö, niin yleinen, että suurimman osan ajasta ne jätetään huomiotta. Tarkasteltuamme niitä kuitenkin tarkemmin havaitsimme tämän odottamattoman epitaksiaalisen käyttäytymisen, ja se inspiroi suoraan strategiaamme kiinteän aineen kontaktin parantamiseksi.”
Verrattuna yleisesti käytettyyn kylmäpuristusmenetelmään, tutkijoiden ehdottama strategia voi toteuttaa perusteellisen ja saumattoman kontaktin kiinteiden elektrolyyttien ja elektrodien välillä atomitasolla, kuten atomiresoluution elektronimikroskopiakuvasta näkyy. (MA:n tiimin toimittama.)
Hyödyntämällä havaittua ilmiötä tutkijat kiteyttivät tarkoituksella amorfisen jauheen, jonka koostumus oli sama kuin perovskiittirakenteisen kiinteän elektrolyytin, Li-pitoisen kerrostetun yhdisteen pinnalle ja saavuttivat onnistuneesti perusteellisen ja saumattoman kontaktin näiden kahden kiinteän materiaalin välille komposiittielektrodissa. Kun elektrodi-elektrolyytti-kontaktiongelma oli ratkaistu, tällainen kiinteä-kiinteä-komposiittielektrodi tarjosi nopeusominaisuuksia, jotka olivat jopa verrattavissa kiinteä-neste-komposiittielektrodin nopeusominaisuuksiin. Vielä tärkeämpää on, että tutkijat havaitsivat myös, että tämäntyyppinen epitaksiaalinen kiinteä-kiinteä-kontakti voi sietää suuria hila-epätasapainoja, ja siten heidän ehdottamaansa strategiaa voitaisiin soveltaa myös moniin muihin perovskiittirakenteisiin kiinteisiin elektrolyytteihin ja kerrostettuihin elektrodeihin.
”Tämä työ osoitti suunnan, jota kannattaa jatkaa”, MA sanoi. ”Tässä esitetyn periaatteen soveltaminen muihin tärkeisiin materiaaleihin voisi johtaa entistä parempaan solujen suorituskykyyn ja mielenkiintoisempaan tieteeseen. Odotamme sitä innolla.”
Tutkijat aikovat jatkaa tutkimustaan tähän suuntaan ja soveltaa ehdotettua strategiaa muihin suuren kapasiteetin ja suuren potentiaalin omaaviin katodeihin.
Tutkimus julkaistiin Cell Pressin lippulaivalehdessä Matterissa otsikolla ”Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries”. Ensimmäinen kirjoittaja on USTC:n jatko-opiskelija LI Fuzhen. Professori MA Chengin yhteistyökumppaneihin kuuluvat professori NAN Ce-Wen Tsinghuan yliopistosta ja tohtori ZHOU Lin Amesin laboratoriosta.
(Kemian ja materiaalitieteiden laitos)
Artikkelin linkki: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Julkaisun aika: 3. kesäkuuta 2019