Hehkutuksen rooli täyskiinteän olomuodon litiumakun suorituskyvyn parantamisessa

Täysin solid-state-litiumparistoista on tullut uusi villitys materiaalitieteessä ja -tekniikassa, koska perinteiset litiumioniakut eivät enää täytä edistyneiden teknologioiden, kuten sähköajoneuvojen, standardeja, jotka vaativat suurta energiatiheyttä, nopeaa latausta ja pitkää kiertoa. elämää. Täysin solid-state-akut, jotka käyttävät kiinteää elektrolyyttiä perinteisten akkujen nestemäisen elektrolyytin sijaan, eivät ainoastaan ​​täytä näitä standardeja, vaan ovat myös suhteellisen turvallisempia ja kätevämpiä, koska ne voidaan ladata lyhyessä ajassa.

Kiinteällä elektrolyytillä on kuitenkin oma haasteensa. Osoittautuu, että positiivisen elektrodin ja kiinteän elektrolyytin välisellä rajapinnalla on suuri sähkövastus, jonka alkuperää ei tunneta hyvin. Lisäksi vastus kasvaa, kun elektrodin pinta altistuu ilmalle, mikä heikentää akun kapasiteettia ja suorituskykyä. Vaikka vastusta on yritetty alentaa useita kertoja, yksikään ei ole onnistunut pudottamaan sitä 10 Ω cm:iin² (ohmin senttimetrin neliö), ilmoitettu rajapinnan resistanssiarvo, kun se ei ole alttiina ilmalle.

Nyt hiljattain julkaistussa tutkimuksessa ACS-sovelletut materiaalit ja liitännät, tutkimusryhmä, jota johtivat professori Taro Hitosugi Tokyo Institute of Technologysta (Tokyo Tech), Japani, ja Shigeru Kobayashi, Tokyo Techin tohtoriopiskelija, saattoivat vihdoinkin ratkaista tämän ongelman. Luomalla strategian alhaisen liitännän resistanssin palauttamiseksi sekä purkamalla tämän vähennyksen taustalla olevaa mekanismia, tiimi on tarjonnut arvokkaita näkemyksiä korkean suorituskyvyn täyssolid-state-akkujen valmistuksesta. Tutkimus oli Tokyo Techin, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) ja Yamagatan yliopiston yhteisen tutkimuksen tulos.

Aluksi tiimi valmisteli ohutkalvoparistoja, jotka käsittivät litiumnegatiivisen elektrodin, LiCoO:n₂ positiivinen elektrodi ja Li₃PO₄ kiinteä elektrolyytti. Ennen akun valmistuksen valmistumista tiimi paljasti LiCoO:n₂ pinta ilmaan, typpi (N₂), happi (O₂), hiilidioksidi (CO₂), vety (H₂) ja vesihöyryä (H₂O) 30 minuuttia.

Yllätykseksensä he huomasivat, että altistuminen N₂, TAI₂, CO₂ja H₂, ei heikentänyt akun suorituskykyä paljaaseen akkuun verrattuna. "Vain H₂O-höyry hajottaa voimakkaasti Li:tä₃PO₄ – LiCoO₂ liitäntä ja lisää sen resistanssia rajusti yli 10 kertaa korkeampaan arvoon kuin valottamattoman rajapinnan, sanoo prof. Hitosugi.

Seuraavaksi ryhmä suoritti prosessin nimeltä "hehkutus", jossa näytettä lämpökäsiteltiin 150 °C:ssa tunnin ajan paristomuodossa, eli negatiivisen elektrodin ollessa asetettuna. Hämmästyttävästi tämä pienensi vastuksen 10.3 Ω cm:iin², verrattavissa valottamattoman akun vastaavaan!

Suorittamalla numeerisia simulaatioita ja huippuluokan mittauksia, tiimi paljasti sitten, että väheneminen voi johtua protonien spontaanista poistumisesta LiCoO:n sisältä.₂ rakenne hehkutuksen aikana.

”Tutkimuksemme osoittaa, että protonit LiCoO:ssa₂ rakenteella on tärkeä rooli palautumisprosessissa. Toivomme, että näiden rajapintojen mikroskooppisten prosessien selvittäminen auttaisi laajentamaan solid-state-akkujen sovellusmahdollisuuksia”, sanoo prof. Hitosugi.