Dne 21. srpna navrhl profesor MA Cheng z Čínské univerzity vědy a techniky (USTC) a jeho spolupracovníci účinnou strategii pro řešení problému kontaktu elektrody a elektrolytu, který omezuje vývoj nové generace polovodičových lithiových baterií. Takto vytvořená kompozitní elektroda typu „pevná látka-pevná látka“ vykazovala výjimečné kapacity a rychlostní výkon.
Nahrazení organického kapalného elektrolytu v konvenčních lithium-iontových bateriích pevnými elektrolyty může výrazně zmírnit bezpečnostní problémy a potenciálně prolomit „skleněný strop“ pro zlepšení hustoty energie. Běžné elektrodové materiály jsou však také pevné látky. Vzhledem k tomu, že kontakt mezi dvěma pevnými látkami je téměř nemožné dosáhnout tak těsného kontaktu jako mezi pevnou látkou a kapalinou, v současnosti baterie založené na pevných elektrolytech obvykle vykazují špatný kontakt mezi elektrodou a elektrolytem a neuspokojivý výkon celého článku.
„Problém s kontaktem elektrody a elektrolytu u polovodičových baterií je do jisté míry podobný nejkratší tyči dřevěného sudu,“ řekl profesor MA Cheng z USTC, hlavní autor studie. „Ve skutečnosti vědci v průběhu let vyvinuli mnoho vynikajících elektrod a pevných elektrolytů, ale špatný kontakt mezi nimi stále omezuje účinnost transportu lithium-iontových baterií.“
Strategie MA naštěstí může tuto náročnou výzvu překonat. Studie začala atomovým zkoumáním nečistotové fáze v prototypu perovskitového pevného elektrolytu. Přestože se krystalová struktura nečistoty a pevného elektrolytu značně lišila, bylo pozorováno, že tvoří epitaxní rozhraní. Po sérii podrobných strukturních a chemických analýz vědci zjistili, že nečistotová fáze je izostrukturní s vysokokapacitními vrstevnatými elektrodami bohatými na lithium. To znamená, že prototyp pevného elektrolytu může krystalizovat na „šabloně“ tvořené atomovou strukturou vysoce výkonné elektrody, což vede k atomárně těsným rozhraním.
„To je skutečně překvapení,“ řekl první autor LI Fuzhen, který je v současné době postgraduálním studentem USTC. „Přítomnost nečistot v materiálu je ve skutečnosti velmi běžný jev, tak běžný, že se většinou ignoruje. Po jejich bližším zkoumání jsme však objevili toto neočekávané epitaxní chování a přímo nás inspirovalo k naší strategii pro zlepšení kontaktu pevných látek.“
Ve srovnání s běžně používaným přístupem lisování za studena dokáže strategie navržená výzkumníky dosáhnout důkladného a bezproblémového kontaktu mezi pevnými elektrolyty a elektrodami v atomovém měřítku, jak se odráží na snímku z elektronové mikroskopie s atomovým rozlišením. (Poskytl tým MA.)
Využitím pozorovaného jevu vědci záměrně krystalizovali amorfní prášek se stejným složením jako perovskitový strukturovaný pevný elektrolyt na povrchu vrstevnaté sloučeniny bohaté na lithium a úspěšně dosáhli důkladného a bezešvého kontaktu mezi těmito dvěma pevnými materiály v kompozitní elektrodě. Díky vyřešení problému kontaktu elektroda-elektrolyt poskytla taková kompozitní elektroda pevná látka-pevná látka rychlostní limit srovnatelný s kompozitní elektrodou pevná látka-kapalina. A co je důležitější, vědci také zjistili, že tento typ epitaxního kontaktu pevná látka-pevná látka může tolerovat velké mřížkové neshody, a proto by navržená strategie mohla být použitelná i pro mnoho dalších perovskitových pevných elektrolytů a vrstevnatých elektrod.
„Tato práce ukázala směr, kterým stojí za to se vydat,“ řekl MA. „Aplikace zde uvedeného principu na další důležité materiály by mohla vést k ještě lepším výkonům buněk a zajímavější vědě. Těšíme se na to.“
Výzkumníci hodlají pokračovat ve svém výzkumu tímto směrem a aplikovat navrhovanou strategii na další vysokokapacitní katody s vysokým potenciálem.
Studie byla publikována v časopise Matter, vlajkovém časopise Cell Press, s názvem „Atomicky těsný kontakt mezi pevnými elektrolyty a elektrodami pro lithiové baterie“. Prvním autorem je LI Fuzhen, postgraduální student USTC. Mezi spolupracovníky prof. MA Chenga patří prof. NAN Ce-Wen z Univerzity Tsinghua a Dr. ZHOU Lin z Amesovy laboratoře.
(Fakulta chemie a materiálových věd)
Odkaz na článek: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Čas zveřejnění: 3. června 2019