21 августа профессор Ма Чэн из Китайского университета науки и технологий (USTC) и его коллеги предложили эффективную стратегию решения проблемы контакта электрода с электролитом, которая ограничивает разработку твердотельных литий-ионных аккумуляторов нового поколения. Созданный таким образом композитный электрод из твердого материала с твердой основой продемонстрировал исключительные ёмкость и скоростные характеристики.
Замена органического жидкого электролита в традиционных литий-ионных аккумуляторах на твердые электролиты может значительно снизить риски, связанные с безопасностью, и потенциально преодолеть «стеклянный потолок» в плане повышения плотности энергии. Однако основные электродные материалы также являются твердыми. Поскольку обеспечить такой же плотный контакт между двумя твердыми телами, как между твердым телом и жидкостью, в настоящее время аккумуляторы на основе твердых электролитов, как правило, демонстрируют плохой контакт электрод-электролит и неудовлетворительные характеристики полного элемента.
«Проблема контакта электрода с электролитом в твердотельных аккумуляторах подобна самой короткой доске деревянной бочки», — сказал профессор МА Чэн из Технологического университета США, ведущий автор исследования. «На самом деле, за эти годы исследователи уже разработали множество отличных электродов и твёрдых электролитов, но плохой контакт между ними по-прежнему ограничивает эффективность переноса литий-ионов».
К счастью, стратегия MA позволяет преодолеть эту сложную задачу. Исследование началось с поатомного анализа примесной фазы в прототипе твердого электролита со структурой перовскита. Хотя кристаллическая структура примеси и твердого электролита существенно различалась, было обнаружено, что они образуют эпитаксиальные интерфейсы. После серии детальных структурных и химических анализов исследователи обнаружили, что примесная фаза изоструктурна слоистым электродам высокой емкости, богатым литием. То есть прототип твердого электролита может кристаллизоваться на «шаблоне», образованном атомным каркасом высокопроизводительного электрода, что приводит к образованию атомно-близких интерфейсов.
«Это действительно неожиданно», — сказал первый автор Ли Фучжэнь, в настоящее время аспирант Университета Теннесси в Нью-Йорке. «Присутствие примесей в материале — явление на самом деле очень распространённое, настолько распространённое, что большую часть времени его игнорируют. Однако, внимательно изучив их, мы обнаружили это неожиданное эпитаксиальное поведение, которое непосредственно вдохновило нас на разработку стратегии улучшения контакта твёрдых тел».
По сравнению с общепринятым подходом холодного прессования стратегия, предложенная исследователями, позволяет реализовать полный, бесшовный контакт между твердыми электролитами и электродами в атомном масштабе, что отражено на электронно-микроскопическом изображении с атомным разрешением (предоставлено группой MA).
Воспользовавшись наблюдаемым явлением, исследователи намеренно кристаллизовали аморфный порошок того же состава, что и твердый электролит со структурой перовскита, на поверхности слоистого соединения, богатого литием, и успешно реализовали полный, бесшовный контакт между этими двумя твердыми материалами в композитном электроде. Решив проблему контакта электрод-электролит, такой композитный электрод типа «твердое тело-твердое» обеспечил скоростные характеристики, сравнимые даже с таковыми у композитного электрода типа «твердое тело-жидкость». Что еще более важно, исследователи также обнаружили, что этот тип эпитаксиального контакта типа «твердое тело-твердое» может выдерживать большие несоответствия параметров решеток, и, таким образом, предложенная ими стратегия может быть применима ко многим другим твердым электролитам на основе перовскита и слоистым электродам.
«Эта работа указала направление, которому стоит следовать», — сказал МА. «Применение изложенного здесь принципа к другим важным материалам может привести к ещё более высоким характеристикам ячеек и более интересным научным исследованиям. Мы с нетерпением ждём этого».
Исследователи намерены продолжить исследования в этом направлении и применить предложенную стратегию к другим высокоемкостным и высокопотенциальным катодам.
Исследование было опубликовано в журнале Matter, флагманском журнале издательства Cell Press, под названием «Атомно-близкий контакт между твердыми электролитами и электродами для литиевых аккумуляторов». Автором исследования является Ли Фучжэнь, аспирант Университета Цинхуа в Нью-Йорке. Среди соавторов профессора Ма Чэна – профессор Нань Цэ-Вэнь из Университета Цинхуа и доктор Чжоу Линь из лаборатории Эймса.
(Факультет химии и материаловедения)
Ссылка на статью: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Время публикации: 03 июня 2019 г.