Op 21 augustus stelden prof. MA Cheng fan 'e Universiteit fan Wittenskip en Technology fan Sina (USTC) en syn meiwurkers in effektive strategy foar om it probleem fan elektrode-elektrolytkontakt oan te pakken dat de ûntwikkeling fan 'e folgjende generaasje fêste-steat Li-batterijen beheint. De fêste-fêste kompositelektrode dy't op dizze manier makke is, liet útsûnderlike kapasiteiten en snelheidsprestaasjes sjen.
It ferfangen fan 'e organyske floeibere elektrolyt yn konvinsjonele Li-ion-batterijen troch fêste elektrolyten kin de feiligensproblemen sterk ferminderje, en potinsjeel it "glêzen plafond" foar ferbettering fan enerzjytichtens trochbrekke. Mainstream elektrodematerialen binne lykwols ek fêste stoffen. Om't it kontakt tusken twa fêste stoffen hast ûnmooglik is om sa yntym te wêzen as dat tusken fêst en floeistof, litte de batterijen basearre op fêste elektrolyten op it stuit typysk min elektrode-elektrolytkontakt en ûnfoldwaande prestaasjes fan folsleine sel sjen.
"It probleem fan elektrode-elektrolytkontakt fan fêste-steatbatterijen is in bytsje as de koartste stêf fan in houten fet," sei prof. MA Cheng fan USTC, de haadauteur fan 'e stúdzje. "Eins hawwe ûndersikers yn 'e rin fan dizze jierren al in protte poerbêste elektroden en fêste elektrolyten ûntwikkele, mar it minne kontakt tusken har beheint noch altyd de effisjinsje fan Li-iontransport."
Gelokkich kin de strategy fan MA dizze formidabel útdaging oerwinne. De stúdzje begon mei it atoom-foar-atoom ûndersyk fan in ûnreinheidsfaze yn in prototype, perovskite-strukturearre fêste elektrolyt. Hoewol de kristalstruktuer sterk ferskilde tusken de ûnreinheid en de fêste elektrolyt, waarden se waarnommen om epitaksiale ynterfaces te foarmjen. Nei in searje detaillearre strukturele en gemyske analyses ûntdutsen ûndersikers dat de ûnreinheidsfaze isostruktureel is mei de hege-kapasiteit Li-rike laachelektroden. Dat wol sizze, in prototype fêste elektrolyt kin kristallisearje op 'e "sjabloan" foarme troch it atomêre ramt fan in hege-prestaasje-elektrode, wat resulteart yn atoom yntime ynterfaces.
"Dit is echt in ferrassing," sei de earste auteur LI Fuzhen, dy't op it stuit in ôfstudearre studint is oan USTC. "De oanwêzigens fan ûnreinheden yn it materiaal is eins in heul gewoan ferskynsel, sa gewoan dat se meastentiids negearre wurde. Nei't wy se lykwols goed besjoen hiene, ûntdutsen wy dit ûnferwachte epitaksiale gedrach, en it ynspirearre direkt ús strategy foar it ferbetterjen fan it fêste-fêste kontakt."
Yn ferliking mei de gewoanlik oannommen kâldparse-oanpak kin de strategy dy't troch de ûndersikers foarsteld is, in yngeand, naadloos kontakt realisearje tusken fêste elektrolyten en elektroden op atomêre skaal, lykas te sjen is yn 'e ôfbylding fan' e elektronenmikroskopie mei atomêre resolúsje. (Oanlevere troch it team fan MA.)
Troch gebrûk te meitsjen fan it waarnommen ferskynsel, hawwe de ûndersikers mei opsetsin it amorfe poeier kristallisearre mei deselde gearstalling as de perovskite-strukturearre fêste elektrolyt op it oerflak fan in Li-rike laachferbining, en mei súkses in yngeand, naadloos kontakt tusken dizze twa fêste materialen realisearre yn in gearstalde elektrode. Mei it probleem fan elektrode-elektrolytkontakt oanpakt, levere sa'n fêst-fêste gearstalde elektrode in snelheidskapasiteit dy't sels te fergelykjen wie mei dy fan in fêst-floeistof gearstalde elektrode. Wichtiger is dat de ûndersikers ek fûnen dat dit type epitaksiale fêst-fêste kontakt grutte roastermismatches tolerearje kin, en sadwaande koe de strategy dy't se foarstelden ek fan tapassing wêze op in protte oare perovskite fêste elektrolyten en laachelektroden.
"Dit wurk wiisde in rjochting oan dy't it wurdich is om te folgjen," sei MA. "It tapassen fan it hjir neamde prinsipe op oare wichtige materialen kin liede ta noch bettere selprestaasjes en nijsgjirriger wittenskip. Wy sjogge dernei út."
De ûndersikers binne fan doel har ferkenning yn dizze rjochting troch te setten, en de foarstelde strategy ta te passen op oare katodes mei hege kapasiteit en hege potinsje.
De stúdzje waard publisearre yn Matter, in flaggeskiptydskrift fan Cell Press, mei de titel "Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries". De earste auteur is LI Fuzhen, in ôfstudearre studint fan USTC. Prof. MA Cheng syn meiwurkers binne ûnder oaren Prof. NAN Ce-Wen fan Tsinghua Universiteit en Dr. ZHOU Lin fan Ames Laboratory.
(Skoalle foar Skiekunde en Materiaalwittenskippen)
Keppeling nei it papier: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Pleatsingstiid: 3 juny 2019