نقش آنیل در بهبود عملکرد باتری لیتیومی تمام حالت جامد

باتری‌های لیتیومی تمام حالت جامد به شوق جدید در علم و مهندسی مواد تبدیل شده‌اند، زیرا باتری‌های لیتیوم یون معمولی دیگر نمی‌توانند استانداردهای فناوری‌های پیشرفته مانند خودروهای الکتریکی را که به چگالی انرژی بالا، شارژ سریع و چرخه طولانی نیاز دارند، برآورده کنند. زندگی می کند. باتری‌های حالت جامد که از الکترولیت جامد به جای الکترولیت مایع در باتری‌های سنتی استفاده می‌کنند، نه تنها این استانداردها را برآورده می‌کنند، بلکه نسبتاً ایمن‌تر و راحت‌تر هستند زیرا امکان شارژ در زمان کوتاه را دارند.

با این حال، الکترولیت جامد با چالش خاص خود همراه است. به نظر می رسد که رابط بین الکترود مثبت و الکترولیت جامد مقاومت الکتریکی زیادی را نشان می دهد که منشا آن به خوبی شناخته نشده است. علاوه بر این، هنگامی که سطح الکترود در معرض هوا قرار می گیرد، مقاومت افزایش می یابد و ظرفیت و عملکرد باتری را کاهش می دهد. در حالی که چندین تلاش برای کاهش مقاومت انجام شده است، هیچ کدام نتوانسته آن را به 10 Ω سانتی متر کاهش دهد² (اهم سانتی متر مربع)، مقدار مقاومت رابط گزارش شده زمانی که در معرض هوا نیست.

در حال حاضر، در یک مطالعه اخیر منتشر شده در ACS کاربردی مواد و رابطیک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور تارو هیتوسوگی از مؤسسه فناوری توکیو (توکیو تک)، ژاپن و شیگرو کوبایاشی، دانشجوی دکترا در فناوری توکیو، ممکن است سرانجام این مشکل را حل کرده باشند. با ایجاد یک استراتژی برای بازگرداندن مقاومت رابط پایین و همچنین کشف مکانیسم زیربنایی این کاهش، این تیم بینش های ارزشمندی را در مورد ساخت باتری های تمام حالت جامد با کارایی بالا ارائه کرده است. این مطالعه نتیجه یک تحقیق مشترک توسط فناوری توکیو، موسسه ملی علوم و فناوری پیشرفته صنعتی (AIST) و دانشگاه یاماگاتا بود.

برای شروع، این تیم باتری های لایه نازکی را آماده کردند که شامل یک الکترود لیتیوم منفی، یک LiCoO است.₂ الکترود مثبت و یک Li₃PO₄ الکترولیت جامد قبل از تکمیل ساخت باتری، تیم LiCoO را افشا کرد₂ سطح به هوا، نیتروژن (N₂) ، اکسیژن (O₂دی اکسید کربن (CO₂، هیدروژن (H₂، و بخار آب (H₂O) به مدت 30 دقیقه.

در کمال تعجب آنها دریافتند که قرار گرفتن در معرض N₂اوه₂، شرکت₂، و اچ₂، عملکرد باتری را در مقایسه با باتری بدون نور کاهش نداد. «فقط اچ₂بخار O به شدت لی را تجزیه می کند₃PO₄ – LiCoO₂ پروفسور هیتوسوگی می گوید: رابط و مقاومت آن را به شدت به مقداری بیش از 10 برابر بیشتر از رابط بدون نور افزایش می دهد.

تیم در مرحله بعد فرآیندی به نام "آنیلینگ" را انجام داد که در آن نمونه به مدت یک ساعت در دمای 150 درجه سانتیگراد تحت عملیات حرارتی قرار گرفت، یعنی با الکترود منفی رسوب کرده بود. به طرز شگفت انگیزی، این مقاومت را به 10.3 Ω سانتی متر کاهش داد²، قابل مقایسه با باتری های بدون نور!

با انجام شبیه‌سازی‌های عددی و اندازه‌گیری‌های پیشرفته، تیم سپس نشان داد که کاهش می‌تواند به حذف خود به خودی پروتون‌ها از درون LiCoO نسبت داده شود.₂ ساختار در طول بازپخت

"مطالعه ما نشان می دهد که پروتون ها در LiCoO₂ ساختار نقش مهمی در فرآیند بازیابی دارد. ما امیدواریم که روشن شدن این فرآیندهای میکروسکوپی سطحی به گسترش پتانسیل کاربرد باتری‌های تمام حالت جامد کمک کند.»