Ο ρόλος της ανόπτησης στη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας λιθίου σε στερεά κατάσταση

Οι μπαταρίες λιθίου σε στερεά κατάσταση έχουν γίνει η νέα τρέλα στην επιστήμη και τη μηχανική υλικών καθώς οι συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν μπορούν πλέον να πληρούν τα πρότυπα για προηγμένες τεχνολογίες, όπως τα ηλεκτρικά οχήματα, που απαιτούν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, γρήγορη φόρτιση και μεγάλο κύκλο ζει. Οι μπαταρίες σε στερεά κατάσταση, οι οποίες χρησιμοποιούν στερεό ηλεκτρολύτη αντί για υγρό ηλεκτρολύτη που υπάρχει στις παραδοσιακές μπαταρίες, όχι μόνο πληρούν αυτά τα πρότυπα αλλά είναι συγκριτικά πιο ασφαλείς και πιο βολικές καθώς έχουν τη δυνατότητα φόρτισης σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Ωστόσο, ο στερεός ηλεκτρολύτης έρχεται με τη δική του πρόκληση. Αποδεικνύεται ότι η διεπαφή μεταξύ του θετικού ηλεκτροδίου και του στερεού ηλεκτρολύτη παρουσιάζει μεγάλη ηλεκτρική αντίσταση της οποίας η προέλευση δεν είναι καλά κατανοητή. Επιπλέον, η αντίσταση αυξάνεται όταν η επιφάνεια του ηλεκτροδίου εκτίθεται στον αέρα, υποβαθμίζοντας τη χωρητικότητα και την απόδοση της μπαταρίας. Ενώ έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για να χαμηλώσει η αντίσταση, καμία δεν κατάφερε να τη μειώσει στα 10 Ω cm² (ohm εκατοστών στο τετράγωνο), η αναφερόμενη τιμή αντίστασης διεπαφής όταν δεν εκτίθεται στον αέρα.

Τώρα, σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο ACS Εφαρμοσμένα Υλικά & Διεπαφές, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Taro Hitosugi από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο του Τόκιο (Tokyo Tech), Ιαπωνία, και τον Shigeru Kobayashi, διδακτορικό φοιτητή στο Tokyo Tech, μπορεί να έλυσαν τελικά αυτό το πρόβλημα. Καθιερώνοντας μια στρατηγική για την αποκατάσταση της χαμηλής αντίστασης διεπαφής καθώς και αποκαλύπτοντας τον μηχανισμό που βρίσκεται στη βάση αυτής της μείωσης, η ομάδα παρείχε πολύτιμες πληροφορίες για την κατασκευή μπαταριών υψηλής απόδοσης σε στερεά κατάσταση. Η μελέτη ήταν το αποτέλεσμα μιας κοινής έρευνας από το Tokyo Tech, το Εθνικό Ινστιτούτο Προηγμένης Βιομηχανικής Επιστήμης και Τεχνολογίας (AIST) και το Πανεπιστήμιο Yamagata.

Για να ξεκινήσει, η ομάδα ετοίμασε μπαταρίες λεπτής μεμβράνης που περιλαμβάνουν ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο λιθίου, ένα LiCoO₂ θετικό ηλεκτρόδιο και ένα Li₃PO₄ στερεός ηλεκτρολύτης. Πριν ολοκληρώσει την κατασκευή μιας μπαταρίας, η ομάδα εξέθεσε το LiCoO₂ επιφάνεια προς αέρα, άζωτο (Ν₂), οξυγόνο (O₂), διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), υδρογόνο (Η₂), και υδρατμούς (Η₂Ο) για 30 λεπτά.

Προς έκπληξή τους, διαπίστωσαν ότι η έκθεση στον Ν₂, Ο₂, CO₂, και Χ₂, δεν υποβάθμισε την απόδοση της μπαταρίας σε σύγκριση με μια μη εκτεθειμένη μπαταρία. «Μόνο ο Χ₂Ο ατμός O υποβαθμίζει έντονα το Li₃PO₄ – LiCoO₂ διεπαφή και αυξάνει την αντίστασή της δραστικά σε μια τιμή πάνω από 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή της μη εκτεθειμένης διεπαφής», λέει ο καθηγητής Hitosugi.

Στη συνέχεια, η ομάδα πραγματοποίησε μια διαδικασία που ονομάζεται «ανόπτηση», κατά την οποία το δείγμα υποβλήθηκε σε θερμική επεξεργασία στους 150°C για μία ώρα σε μορφή μπαταρίας, δηλαδή με το αρνητικό ηλεκτρόδιο εναποτιθέμενο. Παραδόξως, αυτό μείωσε την αντίσταση στα 10.3 Ω cm², συγκρίσιμο με αυτό της μη εκτεθειμένης μπαταρίας!

Εκτελώντας αριθμητικές προσομοιώσεις και μετρήσεις αιχμής, η ομάδα αποκάλυψε στη συνέχεια ότι η μείωση θα μπορούσε να αποδοθεί στην αυθόρμητη απομάκρυνση πρωτονίων από το LiCoO₂ δομή κατά τη διάρκεια της ανόπτησης.

«Η μελέτη μας δείχνει ότι τα πρωτόνια στο LiCoO₂ η δομή διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία ανάκτησης. Ελπίζουμε ότι η αποσαφήνιση αυτών των μικροσκοπικών διεργασιών διεπιφανείας θα συμβάλει στη διεύρυνση του δυναμικού εφαρμογής των μπαταριών σε στερεά κατάσταση», καταλήγει ο καθηγητής Hitosugi.