Lõõmutamise roll tahkisliitiumpatareide jõudluse parandamisel

Tahkisliitiumakudest on saanud materjaliteaduse ja inseneriteaduse uus hullus, kuna tavalised liitiumioonakud ei vasta enam kõrgtehnoloogia standarditele, nagu elektrisõidukid, mis nõuavad suurt energiatihedust, kiiret laadimist ja pikka töötsüklit. elusid. Tahkisakud, mis kasutavad tavalistes akudes leiduva vedela elektrolüüdi asemel tahket elektrolüüti, mitte ainult ei vasta nendele standarditele, vaid on ka suhteliselt ohutumad ja mugavamad, kuna neil on võimalus lühikese ajaga laadida.

Tahke elektrolüüdiga kaasneb aga oma väljakutse. Selgub, et positiivse elektroodi ja tahke elektrolüüdi vaheline liides näitab suurt elektritakistust, mille päritolu pole hästi mõistetav. Lisaks suureneb takistus, kui elektroodi pind puutub kokku õhuga, mis halvendab aku mahtuvust ja jõudlust. Kuigi takistust on tehtud mitmeid katseid alandada, pole ühelgi õnnestunud seda vähendada 10 Ω cm-ni.² (oomi sentimeetri-ruut), teatatud liidese takistuse väärtus, kui see ei puutu kokku õhuga.

Nüüd avaldati hiljutises uuringus ACSi rakendatud materjalid ja liidesed, Jaapani Tokyo Tehnoloogiainstituudi (Tokyo Tech) prof Taro Hitosugi juhitud uurimisrühm ja Tokyo Techi doktorant Shigeru Kobayashi võisid selle probleemi lõpuks lahendada. Madala liidese takistuse taastamise strateegia ja selle vähendamise aluseks oleva mehhanismi lahti harutamise abil on meeskond andnud väärtuslikku teavet suure jõudlusega tahkispatareide tootmise kohta. Uuring sündis Tokyo Techi, riikliku kõrgtehnoloogilise teaduse ja tehnoloogia instituudi (AIST) ja Yamagata ülikooli ühisuuringu tulemusel.

Alustuseks valmistas meeskond ette õhukesed kileakud, mis koosnesid liitiumnegatiivsest elektroodist LiCoO₂ positiivne elektrood ja Li₃PO₄ tahke elektrolüüt. Enne aku valmistamise lõpetamist paljastas meeskond LiCoO₂ pind-õhk, lämmastik (N₂), hapnik (O₂), süsinikdioksiid (CO₂), vesinik (H₂) ja veeauru (H₂O) 30 minutit.

Oma üllatuseks leidsid nad, et kokkupuude N₂, O₂, CO₂ja H₂, ei halvendanud aku jõudlust võrreldes paljastamata akuga. "Ainult H₂O aur lagundab tugevalt Li₃PO₄ – LiCoO₂ liides ja suurendab selle takistust drastiliselt väärtuseni, mis on rohkem kui 10 korda suurem kui säritamata liidesel,“ ütleb prof Hitosugi.

Järgmisena viis meeskond läbi protsessi, mida nimetatakse lõõmutamiseks, mille käigus proovi kuumtöötleti tund aega temperatuuril 150 °C aku kujul, st negatiivse elektroodiga. Hämmastavalt vähendas see takistust 10.3 Ω cm-ni², võrreldav säritamata aku omaga!

Arvulisi simulatsioone ja tipptasemel mõõtmisi tehes selgus seejärel, et vähenemise põhjuseks võib olla prootonite spontaanne eemaldamine LiCoO-st.₂ struktuur lõõmutamise ajal.

"Meie uuring näitab, et prootonid LiCoO-s₂ struktuur mängib taastumisprotsessis olulist rolli. Loodame, et nende pindadevaheliste mikroskoopiliste protsesside selgitamine aitaks laiendada tahkispatareide kasutuspotentsiaali,” järeldab prof Hitosugi.