Udglødningens rolle i forbedring af All-Solid-State Lithium-batteriydelsen

All-solid-state lithium-batterier er blevet den nye dille inden for materialevidenskab og teknik, da konventionelle lithium-ion-batterier ikke længere kan opfylde standarderne for avancerede teknologier, såsom elektriske køretøjer, der kræver høj energitæthed, hurtig opladning og lang cyklus liv. All-solid-state batterier, som bruger en fast elektrolyt i stedet for en flydende elektrolyt, der findes i traditionelle batterier, opfylder ikke kun disse standarder, men er forholdsvis sikrere og mere bekvemme, da de har mulighed for at oplade på kort tid.

Den faste elektrolyt kommer dog med sin egen udfordring. Det viser sig, at grænsefladen mellem den positive elektrode og fast elektrolyt viser en stor elektrisk modstand, hvis oprindelse ikke er godt forstået. Desuden øges modstanden, når elektrodeoverfladen udsættes for luft, hvilket forringer batteriets kapacitet og ydeevne. Mens der er gjort flere forsøg på at sænke modstanden, har ingen formået at bringe den ned til 10 Ω cm² (ohm kvadratcentimeter), den rapporterede grænseflademodstandsværdi, når den ikke udsættes for luft.

Nu, i en nylig undersøgelse offentliggjort i ACS anvendt materiale og grænseflader, et forskerhold ledet af prof. Taro Hitosugi fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, og Shigeru Kobayashi, en ph.d.-studerende ved Tokyo Tech, kan endelig have løst dette problem. Ved at etablere en strategi for at genoprette den lave grænseflademodstand samt at optrevle mekanismen bag denne reduktion, har teamet givet værdifuld indsigt i fremstillingen af ​​højtydende all-solid-state batterier. Undersøgelsen var resultatet af en fælles forskning fra Tokyo Tech, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) og Yamagata University.

Til at starte med forberedte holdet tyndfilmsbatterier bestående af en negativ lithiumelektrode, en LiCoO₂ positiv elektrode og en Li₃PO₄ fast elektrolyt. Før de afsluttede fremstillingen af ​​et batteri, afslørede holdet LiCoO₂ overflade til luft, nitrogen (N₂), ilt (O₂), kuldioxid (CO₂), hydrogen (H₂), og vanddamp (H₂O) i 30 minutter.

Til deres overraskelse fandt de ud af, at eksponering for N₂, ELLER₂,CO₂, og H₂, forringede ikke batteriets ydeevne sammenlignet med et ikke-eksponeret batteri. "Kun H₂O-damp nedbryder Li'en kraftigt₃PO₄ – LiCoO₂ grænsefladen og øger dens modstand drastisk til en værdi, der er mere end 10 gange højere end den for den ueksponerede grænseflade,” siger prof. Hitosugi.

Holdet udførte derefter en proces kaldet "annealing", hvor prøven undergik en varmebehandling ved 150°C i en time i batteriform, dvs. med den negative elektrode aflejret. Utroligt nok reducerede dette modstanden ned til 10.3 Ω cm², sammenlignelig med det ueksponerede batteri!

Ved at udføre numeriske simuleringer og banebrydende målinger afslørede holdet derefter, at reduktionen kunne tilskrives den spontane fjernelse af protoner inde fra LiCoO.₂ struktur under udglødning.

"Vores undersøgelse viser, at protoner i LiCoO₂ struktur spiller en vigtig rolle i genopretningsprocessen. Vi håber, at belysningen af ​​disse grænseflademikroskopiske processer vil bidrage til at udvide anvendelsespotentialet for hel-solid-state batterier,” afslutter Prof. Hitosugi.