A lágyítás szerepe a szilárdtest lítium akkumulátor teljesítményének javításában

A szilárdtest lítium akkumulátorok az anyagtudomány és a mérnöki tudomány új őrületévé váltak, mivel a hagyományos lítium-ion akkumulátorok már nem felelnek meg a fejlett technológiák, például az elektromos járművek szabványainak, amelyek nagy energiasűrűséget, gyors töltést és hosszú ciklust igényelnek. él. A teljesen szilárdtest akkumulátorok, amelyek a hagyományos akkumulátorokban található folyékony elektrolit helyett szilárd elektrolitot használnak, nemcsak megfelelnek ezeknek a szabványoknak, hanem viszonylag biztonságosabbak és kényelmesebbek is, mivel rövid időn belül feltölthetők.

A szilárd elektrolitnak azonban megvan a maga kihívása. Kiderült, hogy a pozitív elektróda és a szilárd elektrolit közötti interfész nagy elektromos ellenállást mutat, amelynek eredete nem teljesen ismert. Ezenkívül az ellenállás növekszik, ha az elektróda felületét levegő éri, ami rontja az akkumulátor kapacitását és teljesítményét. Bár számos kísérlet történt az ellenállás csökkentésére, egyiknek sem sikerült 10 Ω cm-re csökkenteni.² (ohm centiméter-négyzet), a jelentett interfész ellenállás értéke, amikor nincs kitéve levegőnek.

Most, egy nemrégiben megjelent tanulmányban ACS alkalmazott anyagok és interfészek, a japán Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) Prof. Taro Hitosugi és Shigeru Kobayashi, a Tokyo Tech doktorandusza által vezetett kutatócsoport végül megoldhatta ezt a problémát. Az alacsony interfész-ellenállás helyreállítására irányuló stratégia kidolgozásával, valamint a csökkentés mögött meghúzódó mechanizmus feltárásával a csapat értékes betekintést nyújtott a nagy teljesítményű szilárdtest akkumulátorok gyártásába. A tanulmány a Tokyo Tech, a National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) és a Yamagata Egyetem közös kutatásának eredménye.

Kezdésként a csapat vékony filmelemeket készített, amelyek lítium negatív elektródát, LiCoO-t tartalmaztak₂ pozitív elektróda és egy Li₃PO₄ szilárd elektrolit. Az akkumulátor gyártásának befejezése előtt a csapat felfedte a LiCoO-t₂ felszín-levegő, nitrogén (N₂), oxigén (O₂), szén-dioxid (CO₂), hidrogén (H₂), és vízgőz (H₂O) 30 percig.

Meglepetésükre azt tapasztalták, hogy az N₂, VAGY₂, MIT₂és H₂, nem rontotta az akkumulátor teljesítményét egy nem szabad akkumulátorhoz képest. „Csak H₂Az O gőz erősen lebontja a Li-t₃PO₄ – LiCoO₂ drasztikusan megnöveli ellenállását, több mint 10-szer nagyobb értékre, mint a nem exponált interfészé” – mondja Prof. Hitosugi.

A csapat ezután végrehajtotta az úgynevezett „analing” eljárást, amelyben a mintát 150°C-on egy órán keresztül hőkezelésnek vetették alá akkumulátoros formában, azaz a negatív elektródával. Meglepő módon ez az ellenállást 10.3 Ω cm-re csökkentette², összehasonlítható a nem exponált akkumulátoréval!

Numerikus szimulációkkal és élvonalbeli mérésekkel a csapat felfedte, hogy a csökkenés a protonok spontán eltávolításának tulajdonítható a LiCoO-n belül.₂ szerkezete lágyítás során.

„Tanulmányunk azt mutatja, hogy a protonok a LiCoO-ban₂ szerkezete fontos szerepet játszik a helyreállítási folyamatban. Reméljük, hogy ezeknek a határfelületi mikroszkópos folyamatoknak a feltárása segíti a szilárdtest-akkumulátorok alkalmazási lehetőségeinek kiszélesítését” – összegzi Prof. Hitosugi.