21. augustil pakkusid Hiina Teadus- ja Tehnoloogiaülikooli (USTC) professor MA Cheng ja tema kaastöötajad välja tõhusa strateegia elektroodi ja elektrolüüdi kontakti probleemi lahendamiseks, mis piirab järgmise põlvkonna tahkis-liitium-ioonpatareide väljatöötamist. Sel viisil loodud tahkis-tahke komposiitelektrood näitas erakordset mahtuvust ja kiirust.
Tavapäraste liitiumioonakude orgaanilise vedela elektrolüüdi asendamine tahkete elektrolüütidega võib oluliselt leevendada ohutusprobleeme ja potentsiaalselt murda nn klaaslae energiatiheduse parandamiseks. Siiski on ka peamised elektroodimaterjalid tahked ained. Kuna kahe tahke aine vaheline kontakt on peaaegu võimatu olla nii tihe kui tahke ja vedela aine vahel, on tahketel elektrolüütidel põhinevatel akudel praegu tavaliselt halb elektroodi ja elektrolüüdi kontakt ning ebarahuldav täiselemendi jõudlus.
„Tahkispatareide elektroodide ja elektrolüütide kontakti probleem on natuke nagu lühim puidust tünnivars,“ ütles uuringu juhtiv autor, USTC professor MA Cheng. „Tegelikult on teadlased nende aastate jooksul juba välja töötanud palju suurepäraseid elektroode ja tahkeid elektrolüüte, kuid halb kontakt nende vahel piirab endiselt liitiumioonide transpordi efektiivsust.“
Õnneks võib MA strateegia selle keerulise väljakutse lahendada. Uuring algas perovskiidi struktuuriga tahke elektrolüüdi prototüübi lisandifaasi aatomhaaval uurimisega. Kuigi lisandi ja tahke elektrolüüdi kristallstruktuur erines oluliselt, täheldati, et need moodustavad epitaksiaalseid piirpindu. Pärast mitmeid üksikasjalikke struktuurilisi ja keemilisi analüüse avastasid teadlased, et lisandifaas on suure mahtuvusega Li-rikaste kihiliste elektroodidega isostruktuuriline. See tähendab, et prototüüpne tahke elektrolüüt saab kristalliseeruda suure jõudlusega elektroodi aatomiraamistiku moodustatud "mallil", mille tulemuseks on aatomiliselt lähedased piirpinnad.
„See on tõeliselt üllatus,“ ütles esimene autor LI Fuzhen, kes on praegu USTC magistrant. „Lisandite olemasolu materjalis on tegelikult väga levinud nähtus, nii levinud, et enamasti ignoreeritakse neid. Pärast nende lähemalt uurimist avastasime aga selle ootamatu epitaksiaalse käitumise ja see inspireeris otseselt meie strateegiat tahkis-tahke kontakti parandamiseks.“
Võrreldes tavaliselt kasutatava külmpressimise meetodiga võimaldab teadlaste pakutud strateegia saavutada tahkete elektrolüütide ja elektroodide vahel põhjaliku ja sujuva kontakti aatomitasandil, nagu kajastub aatomiresolutsiooniga elektronmikroskoopia pildil. (Esitanud MA meeskond.)
Täheldatud nähtust ära kasutades kristalliseerisid teadlased tahtlikult sama koostisega amorfse pulbri kui perovskiidi struktuuriga tahke elektrolüüt Li-rikka kihilise ühendi pinnale ning saavutasid edukalt nende kahe tahke materjali vahel põhjaliku ja sujuva kontakti komposiitelektroodis. Kui elektroodi ja elektrolüüdi kontakti probleem lahendati, pakkus selline tahke-tahke komposiitelektrood kiirust, mis oli isegi võrreldav tahke-vedela komposiitelektroodi omaga. Veelgi olulisem on see, et teadlased leidsid ka, et seda tüüpi epitaksiaalne tahke-tahke kontakt talub suuri võre ebakõlasid ja seega võiks nende pakutud strateegia olla rakendatav ka paljudele teistele perovskiidi tahketele elektrolüütidele ja kihilistele elektroodidele.
„See töö näitas suunda, mida tasub järgida,“ ütles MA. „Siin tõstatatud põhimõtte rakendamine teistele olulistele materjalidele võib viia veelgi paremate rakkude jõudluseni ja huvitavama teaduseni. Ootame seda põnevusega.“
Teadlased kavatsevad oma uurimistööd selles suunas jätkata ja rakendada kavandatud strateegiat ka teistele suure mahutavusega ja suure potentsiaaliga katoodidele.
Uuring avaldati Cell Pressi lipulaevaajakirjas Matter pealkirjaga „Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries“ („Atomaalselt lähedane kontakt tahkete elektrolüütide ja elektroodide vahel liitiumpatareide puhul“). Esimene autor on USTC magistrant LI Fuzhen. Professor MA Chengi kaastöötajate hulka kuuluvad professor NAN Ce-Wen Tsinghua ülikoolist ja dr ZHOU Lin Amesi laborist.
(Keemia ja materjaliteaduste kool)
Artikli link: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Postituse aeg: 03.06.2019