Den 21. August hunn de Prof. MA Cheng vun der University of Science and Technology of China (USTC) a seng Mataarbechter eng effektiv Strategie virgeschloen, fir de Problem vum Elektrod-Elektrolyt-Kontakt unzegoen, deen d'Entwécklung vun der nächster Generatioun vu Li-Festkierperbatterien limitéiert. Déi op dës Manéier erstallt Festkierper-Kompositelektrod huet aussergewéinlech Kapazitéiten a Geschwindegkeetsleistungen opgewisen.
Den organesche flëssege Elektrolyt an konventionelle Lithium-Ionen-Batterien duerch fest Elektrolyte ze ersetzen, kann d'Sécherheetsproblemer däitlech reduzéieren a potenziell d'"Glasdecken" fir d'Verbesserung vun der Energiedicht briechen. Wéi och ëmmer, Mainstream-Elektrodematerialien si fest. Well de Kontakt tëscht zwou Feststoffer bal onméiglech ass, sou enk ze sinn wéi dee tëscht Feststoff a Flëssegkeet, weisen d'Batterien, déi op festen Elektrolyte baséieren, de Moment typescherweis e schlechten Elektrode-Elektrolyt-Kontakt an eng onzefriddestellend Leeschtung vun enger ganzer Zell.
„De Problem vum Elektrod-Elektrolyt-Kontakt bei Festkierperbatterien ass e bëssen ewéi de kierzte Stäip vun engem hëlzene Fass“, sot de Prof. MA Cheng vun der USTC, den Haaptauteur vun der Studie. „Tatsächlech hunn d'Fuerscher an de leschte Jore scho vill exzellent Elektroden a fest Elektrolyte entwéckelt, awer de schlechte Kontakt tëscht hinnen limitéiert ëmmer nach d'Effizienz vum Lithium-Ionen-Transport.“
Glécklecherweis kann d'Strategie vun MA dës gewaltsam Erausfuerderung bewältegen. D'Studie huet mat der Atom-fir-Atom-Untersuchung vun enger Ongereinheetsphase an engem Prototyp, perovskit-strukturéierte festen Elektrolyt ugefaangen. Obwuel d'Kristallstruktur tëscht der Ongereinheet an dem festen Elektrolyt staark ënnerscheet huet, gouf observéiert, datt si epitaktesch Grenzflächen bilden. No enger Serie vun detailléierte strukturellen an chemeschen Analysen hunn d'Fuerscher entdeckt, datt d'Onreinheetsphase isostrukturell mat den héichkapazitéits Li-räiche Schichtelektroden ass. Dat heescht, e Prototyp festen Elektrolyt kann op der "Schabloun" kristalliséieren, déi vum atomare Kader vun enger Héichleistungselektrode geformt gëtt, wat zu atomar intimen Grenzflächen féiert.
„Dëst ass wierklech eng Iwwerraschung“, sot den éischten Auteur LI Fuzhen, deen de Moment e Graduéierterstudent um USTC ass. „D'Präsenz vun Ongereimtheeten am Material ass tatsächlech e ganz heefegt Phänomen, sou heefeg, datt se meeschtens ignoréiert ginn. Wéi mir se awer genau ënnersicht hunn, hu mir dëst onerwaart epitaktesch Verhalen entdeckt, an et huet eis Strategie fir d'Verbesserung vum Feststoff-Feststoff-Kontakt direkt inspiréiert.“
Am Verglach mat der üblecher Kaltpressmethod kann d'Strategie, déi vun de Fuerscher virgeschloe gouf, e grëndlechen, nahtlosen Kontakt tëscht festen Elektrolyten an Elektroden op atomarer Skala realiséieren, wéi et am Elektronemikroskopiebild mat atomarer Opléisung reflektéiert gëtt. (Vum MA-Team geliwwert.)
Duerch d'Ausnotze vum observéierte Phänomen hunn d'Fuerscher dat amorpht Pulver mat der selwechter Zesummesetzung wéi de perovskit-strukturéierte festen Elektrolyt op der Uewerfläch vun enger Li-räicher geschichteter Verbindung kristalliséiert an hunn erfollegräich e grëndlechen, nahtlosen Kontakt tëscht dësen zwou festen Materialien an enger Kompositelektrod realiséiert. Nodeems d'Problem vum Elektrode-Elektrolyt-Kontakt adresséiert gouf, huet sou eng Feststoff-Fest-Kompositelektrod eng Geschwindegkeet geliwwert, déi souguer vergläichbar ass mat där vun enger Feststoff-Flëssegkeets-Kompositelektrod. Méi wichteg ass, datt d'Fuerscher och festgestallt hunn, datt dës Zort vun epitaktischem Feststoff-Fest-Kontakt grouss Gitterungläichheete toleréiere kann, an dofir kéint d'Strategie, déi si virgeschloen hunn, och op vill aner perovskit-fest Elektrolyte a geschichtete Elektroden uwendbar sinn.
„Dës Aarbecht huet eng Richtung gewisen, déi et wäert ass ze verfollegen“, sot den MA. „D'Uwendung vum hei ernimmte Prinzip op aner wichteg Materialien kéint zu nach bessere Zellleistungen a méi interessanter Wëssenschaft féieren. Mir freeën eis drop.“
D'Fuerscher hunn d'Intentioun, hir Exploratioun an dës Richtung weiderzeféieren an déi proposéiert Strategie op aner Kathoden mat héijer Kapazitéit a Potenzial anzuwenden.
D'Studie gouf an der Matter, enger Flaggschëffzäitschrëft vu Cell Press, mam Titel "Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries" publizéiert. Den éischten Auteur ass den LI Fuzhen, e Graduéierterstudent vun der USTC. Zu de Mataarbechter vum Prof. MA Cheng gehéieren d'Prof. NAN Ce-Wen vun der Tsinghua Universitéit an den Dr. ZHOU Lin vum Ames Laboratory.
(Schoul fir Chimie a Materialwëssenschaften)
Link zum Artikel: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 03. Juni 2019