Noong Agosto 21, si Prof. MA Cheng mula sa University of Science and Technology of China (USTC) at ang kanyang mga collaborator ay nagmungkahi ng isang epektibong diskarte upang matugunan ang isyu sa pakikipag-ugnay sa electrode-electrolyte na naglilimita sa pagbuo ng mga susunod na henerasyong solid-state na Li na baterya. Ang solid-solid composite electrode na nilikha sa paraang ito ay nagpakita ng mga pambihirang kapasidad at pagganap ng rate.
Ang pagpapalit ng organic na likidong electrolyte sa mga kumbensyonal na Li-ion na baterya ng mga solidong electrolyte ay maaaring lubos na maibsan ang mga isyu sa kaligtasan, at posibleng masira ang "glass ceiling" para sa pagpapabuti ng density ng enerhiya. Gayunpaman, ang mga pangunahing materyales ng elektrod ay solid din. Dahil ang contact sa pagitan ng dalawang solid ay halos imposible na maging kasing kilalang-kilala sa pagitan ng solid at likido, sa kasalukuyan ang mga baterya batay sa solid electrolytes ay karaniwang nagpapakita ng mahinang electrode-electrolyte contact at hindi kasiya-siyang full-cell na pagganap.
"Ang isyu sa pakikipag-ugnay sa electrode-electrolyte ng mga solid-state na baterya ay medyo katulad ng pinakamaikling stave ng isang kahoy na bariles," sabi ni Prof. MA Cheng mula sa USTC, ang nangungunang may-akda ng pag-aaral. "Sa totoo lang, sa mga taong ito ang mga mananaliksik ay nakabuo na ng maraming mahuhusay na electrodes at solid electrolytes, ngunit ang mahinang contact sa pagitan ng mga ito ay nililimitahan pa rin ang kahusayan ng Li-ion transport."
Sa kabutihang palad, maaaring malampasan ng diskarte ng MA ang mabigat na hamon na ito. Nagsimula ang pag-aaral sa pagsusuri ng atom-by-atom ng isang bahagi ng karumihan sa isang prototype, perovskite-structured solid electrolyte. Bagaman malaki ang pagkakaiba ng istraktura ng kristal sa pagitan ng karumihan at solidong electrolyte, naobserbahan sila upang bumuo ng mga interface ng epitaxial. Pagkatapos ng isang serye ng mga detalyadong structural at chemical analysis, natuklasan ng mga mananaliksik na ang impurity phase ay isostructural na may mataas na kapasidad na Li-rich layered electrodes. Ibig sabihin, ang isang prototype na solid electrolyte ay maaaring mag-kristal sa "template" na nabuo ng atomic framework ng isang high-performance electrode, na nagreresulta sa atomically intimate interface.
"Ito ay talagang isang sorpresa," sabi ng unang may-akda na si LI Fuzhen, na kasalukuyang nagtapos na estudyante ng USTC. "Ang pagkakaroon ng mga impurities sa materyal ay talagang isang napaka-pangkaraniwang pangyayari, napakakaraniwan na kadalasan ay hindi papansinin ang mga ito. Gayunpaman, pagkatapos na masusing tingnan ang mga ito, natuklasan namin ang hindi inaasahang pag-uugaling epitaxial na ito, at direktang nagbigay inspirasyon ito sa aming diskarte para sa pagpapabuti ng solid-solid contact."
Kung ikukumpara sa karaniwang ginagamit na cold-pressing approach, ang diskarte na iminungkahi ng mga mananaliksik ay makakapagtanto ng isang masinsinan at walang putol na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga solidong electrolyte at electrodes sa atomic scale, gaya ng makikita sa atomic-resolution na electron microscopy na imahe.(Ibinigay ng pangkat ng MA.)
Sinasamantala ang naobserbahang kababalaghan, sinasadya ng mga mananaliksik na gawing kristal ang amorphous powder na may parehong komposisyon tulad ng perovskite-structured solid electrolyte sa ibabaw ng isang Li-rich layered compound, at matagumpay na natanto ang isang masinsinan, walang tahi na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang solidong materyal na ito sa isang composite electrode. Sa pagtugon sa isyu sa pakikipag-ugnay sa electrode-electrolyte, ang naturang solid-solid composite electrode ay naghatid ng isang rate na kakayahan kahit na maihahambing sa na mula sa isang solid-liquid composite electrode. Higit sa lahat, natuklasan din ng mga mananaliksik na ang ganitong uri ng epitaxial solid-solid contact ay maaaring magparaya sa malalaking lattice mismatches, at sa gayon ang diskarte na kanilang iminungkahi ay maaari ding naaangkop sa maraming iba pang perovskite solid electrolytes at layered electrodes.
"Itinuro ng gawaing ito ang isang direksyon na nararapat na ituloy," sabi ni MA. "Ang paglalapat ng prinsipyong itinaas dito sa iba pang mahahalagang materyales ay maaaring humantong sa mas mahusay na pagganap ng cell at mas kawili-wiling agham. Inaasahan namin ito."
Nilalayon ng mga mananaliksik na ipagpatuloy ang kanilang paggalugad sa direksyong ito, at ilapat ang iminungkahing diskarte sa iba pang mga high-capacity, high-potential cathodes.
Ang pag-aaral ay nai-publish sa Matter, isang punong-punong journal ng Cell Press, na pinamagatang "Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries". Ang unang may-akda ay si LI Fuzhen, isang nagtapos na estudyante ng USTC. Kasama sa mga collaborator ni Prof. MA Cheng si Prof. NAN Ce-Wen mula sa Tsinghua University at Dr. ZHOU Lin mula sa Ames Laboratory.
(Paaralan ng Chemistry at Material Sciences)
Link ng papel: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Oras ng post: Hun-03-2019