תפקיד החישול בשיפור ביצועי סוללת ליתיום במצב מוצק

סוללות ליתיום במצב מוצק הפכו לשיגעון החדש במדעי החומרים והנדסת החומרים, שכן סוללות ליתיום-יון קונבנציונליות אינן יכולות לעמוד עוד בסטנדרטים של טכנולוגיות מתקדמות, כגון רכבים חשמליים, הדורשים צפיפות אנרגיה גבוהה, טעינה מהירה ומחזור ארוך. חיים. סוללות במצב מוצק, המשתמשות באלקטרוליט מוצק במקום באלקטרוליט נוזלי המצוי בסוללות מסורתיות, לא רק עומדות בתקנים אלו אלא בטוחות ונוחות יחסית, שכן יש להן אפשרות להיטען תוך זמן קצר.

עם זאת, האלקטרוליט המוצק מגיע עם אתגר משלו. מסתבר שהממשק בין האלקטרודה החיובית לאלקטרוליט מוצק מראה התנגדות חשמלית גדולה שמקורה אינו מובן היטב. יתר על כן, ההתנגדות גדלה כאשר משטח האלקטרודה נחשף לאוויר, מה שפוגע בקיבולת ובביצועי הסוללה. אמנם נעשו מספר ניסיונות להוריד את ההתנגדות, אך אף אחד לא הצליח להוריד אותה ל-10 Ω ס"מ² (אוהם סנטימטר בריבוע), ערך התנגדות הממשק המדווח כאשר אינו חשוף לאוויר.

כעת, במחקר שפורסם לאחרונה ב חומרים וממשקים יישומיים של ACS, צוות מחקר בראשות פרופ' טארו היטוסוגי מהמכון הטכנולוגי של טוקיו (טוקיו טק), יפן, ו-Shigeru Kobayashi, דוקטורנט בטוקיו Tech, אולי פתרו סוף סוף את הבעיה הזו. על ידי ביסוס אסטרטגיה לשחזור התנגדות הממשק הנמוכה, כמו גם פירוק המנגנון העומד בבסיס ההפחתה הזו, הצוות סיפק תובנות חשובות לגבי ייצור סוללות בעלות ביצועים גבוהים בכל מצב מוצק. המחקר היה תוצאה של מחקר משותף של טוקיו טק, המכון הלאומי למדע וטכנולוגיה תעשייתית מתקדמת (AIST) ואוניברסיטת יאמאגאטה.

כדי להתחיל, הצוות הכין סוללות סרט דק הכוללות אלקטרודת ליתיום שלילית, LiCoO₂ אלקטרודה חיובית, ו-Li₃PO₄ אלקטרוליט מוצק. לפני השלמת ייצור הסוללה, הצוות חשף את LiCoO₂ משטח לאוויר, חנקן (N₂), חמצן (O₂), פחמן דו חמצני (CO₂), מימן (H₂), ואדי מים (H₂O) למשך 30 דקות.

להפתעתם, הם גילו שחשיפה ל-N₂, הו₂, CO₂, וח₂, לא פגע בביצועי הסוללה בהשוואה לסוללה לא חשופה. "רק ח₂אדי O מדרדר מאוד את ה-Li₃PO₄ - LiCoO₂ ממשק ומגביר את ההתנגדות שלו בצורה דרסטית לערך הגבוה ביותר מפי 10 מזה של הממשק הלא חשוף", אומר פרופ' Hitosugi.

לאחר מכן, הצוות ביצע תהליך שנקרא "חישול", שבו הדגימה עברה טיפול בחום ב-150 מעלות צלזיוס למשך שעה בצורת סוללה, כלומר כשהאלקטרודה השלילית מופקדת. באופן מדהים, זה הפחית את ההתנגדות ל-10.3 Ω ס"מ², דומה לזה של הסוללה הלא חשופה!

על ידי ביצוע סימולציות מספריות ומדידות חדשניות, הצוות חשף כי ניתן לייחס את ההפחתה להסרה ספונטנית של פרוטונים מתוך ה-LiCoO₂ מבנה במהלך חישול.

"המחקר שלנו מראה שהפרוטונים ב-LiCoO₂ למבנה תפקיד חשוב בתהליך ההחלמה. אנו מקווים שהבירור של התהליכים המיקרוסקופיים הממשקפיים הללו יעזור להרחיב את פוטנציאל היישום של סוללות מוצקות", מסכם פרופ' Hitosugi.