Rugpjūčio 21 d. Kinijos mokslo ir technologijos universiteto (USTC) profesorius MA Chengas ir jo bendradarbiai pasiūlė veiksmingą strategiją, kaip spręsti elektrodų ir elektrolitų sąlyčio problemą, kuri riboja naujos kartos kietojo kūno ličio baterijų kūrimą. Tokiu būdu sukurtas kietojo kūno kompozicinis elektrodas pasižymėjo išskirtinėmis talpomis ir sparta.
Įprastose ličio jonų baterijose esančio organinio skysto elektrolito pakeitimas kietuoju elektrolitu gali gerokai sumažinti saugos problemas ir potencialiai pralaužti „stiklines lubas“, didinant energijos tankį. Tačiau pagrindinės elektrodų medžiagos taip pat yra kietosios medžiagos. Kadangi kontaktas tarp dviejų kietųjų medžiagų beveik neįmanomas taip glaudžiai, kaip tarp kietosios ir skystosios, šiuo metu baterijos, kurių pagrindą sudaro kietieji elektrolitai, paprastai pasižymi prastu elektrodo ir elektrolito kontaktu ir nepatenkinamu visų elementų veikimu.
„Kietojo kūno baterijų elektrodų ir elektrolitų kontakto problema yra šiek tiek panaši į trumpiausią medinės statinės strypą“, – teigė pagrindinis tyrimo autorius, USTC profesorius MA Chengas. „Tiesą sakant, per šiuos metus tyrėjai jau sukūrė daug puikių elektrodų ir kietųjų elektrolitų, tačiau prastas kontaktas tarp jų vis dar riboja ličio jonų transportavimo efektyvumą.“
Laimei, MA strategija gali padėti įveikti šį sudėtingą iššūkį. Tyrimas prasidėjo nuo priemaišų fazės atominio tyrimo prototipiniame, perovskito struktūros kietajame elektrolite. Nors priemaišų ir kietojo elektrolito kristalinė struktūra labai skyrėsi, buvo pastebėta, kad jie sudaro epitaksines sąsajas. Atlikę išsamių struktūrinių ir cheminių analizių seriją, tyrėjai nustatė, kad priemaišų fazė yra izostruktūrinė su didelės talpos ličio turtingais sluoksniuotais elektrodais. Kitaip tariant, prototipinis kietasis elektrolitas gali kristalizuotis ant „šabloną“, kurį sudaro didelio našumo elektrodo atominis karkasas, sudarydamas atomiškai artimas sąsajas.
„Tai tikrai staigmena“, – teigė pirmasis autorius LI Fuzhenas, šiuo metu studijuojantis USTC magistrantūroje. „Priemūrų buvimas medžiagoje iš tikrųjų yra labai dažnas reiškinys, toks dažnas, kad dažniausiai į jas nekreipiama dėmesio. Tačiau atidžiai jas išnagrinėję, atradome šį netikėtą epitaksinį elgesį, kuris tiesiogiai įkvėpė mūsų strategiją, kaip pagerinti kietojo kūno kontaktą.“
Palyginti su įprastai taikomu šaltojo presavimo metodu, tyrėjų siūloma strategija gali užtikrinti kruopštų, sklandų kietųjų elektrolitų ir elektrodų kontaktą atominiu mastu, kaip atsispindi atominės skiriamosios gebos elektroninės mikroskopijos vaizde. (Pateikė MA komanda.)
Pasinaudodami stebėtu reiškiniu, tyrėjai tyčia kristalizavo amorfinius miltelius, kurių sudėtis tokia pati kaip perovskito struktūros kietojo elektrolito, ant ličio turtingo sluoksniuoto junginio paviršiaus ir sėkmingai sukūrė glaudžius, vientisus šių dviejų kietųjų medžiagų kontaktus kompoziciniame elektrode. Išsprendus elektrodo ir elektrolito kontakto problemą, toks kietojo-kietojo kompozicinis elektrodas pasiekė greitį, palyginamą net su kietojo-skysčio kompozicinio elektrodo greičiu. Dar svarbiau, kad tyrėjai taip pat nustatė, jog tokio tipo epitaksinis kietojo-kietojo kontaktas gali toleruoti didelius gardelių neatitikimus, todėl jų pasiūlyta strategija galėtų būti taikoma ir daugeliui kitų perovskito kietųjų elektrolitų ir sluoksniuotų elektrodų.
„Šis darbas nurodė kryptį, kuria verta siekti“, – teigė MA. „Pritaikius čia iškeltą principą kitoms svarbioms medžiagoms, būtų galima pasiekti dar geresnių ląstelių savybių ir įdomesnio mokslo. Mes to laukiame.“
Tyrėjai ketina tęsti tyrimus šia kryptimi ir pritaikyti siūlomą strategiją kitiems didelės talpos, didelio potencialo katodams.
Tyrimas buvo paskelbtas „Matter“ – pagrindiniame „Cell Press“ žurnale pavadinimu „Atomiškai glaudus kietųjų elektrolitų ir elektrodų kontaktas ličio baterijoms“. Pirmasis autorius yra LI Fuzhen, USTC magistrantas. Profesoriaus MA Cheng bendradarbiai yra prof. NAN Ce-Wen iš Tsinghua universiteto ir dr. ZHOU Lin iš Ames laboratorijos.
(Chemijos ir medžiagų mokslų mokykla)
Nuoroda į straipsnį: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Įrašo laikas: 2019 m. birželio 3 d.