De rol van gloeien bij het verbeteren van de prestaties van volledig solid-state lithiumbatterijen

All-solid-state lithiumbatterijen zijn de nieuwe rage geworden in materiaalwetenschap en -techniek, aangezien conventionele lithium-ionbatterijen niet langer kunnen voldoen aan de normen voor geavanceerde technologieën, zoals elektrische voertuigen, die een hoge energiedichtheid, snel opladen en een lange cyclus vereisen. leeft. All-solid-state batterijen, die een vaste elektrolyt gebruiken in plaats van een vloeibare elektrolyt die in traditionele batterijen wordt aangetroffen, voldoen niet alleen aan deze normen, maar zijn relatief veiliger en handiger omdat ze de mogelijkheid hebben om in korte tijd op te laden.

De vaste elektrolyt heeft echter zijn eigen uitdaging. Het blijkt dat de interface tussen de positieve elektrode en de vaste elektrolyt een grote elektrische weerstand vertoont waarvan de oorsprong niet goed wordt begrepen. Bovendien neemt de weerstand toe wanneer het elektrode-oppervlak wordt blootgesteld aan lucht, waardoor de capaciteit en prestaties van de batterij afnemen. Hoewel er verschillende pogingen zijn gedaan om de weerstand te verlagen, is geen enkele erin geslaagd om deze terug te brengen tot 10 Ω cm² (ohm centimeter-kwadraat), de gerapporteerde interfaceweerstandswaarde wanneer deze niet wordt blootgesteld aan lucht.

Nu, in een recente studie gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces, heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Taro Hitosugi van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, en Shigeru Kobayashi, een doctoraalstudent aan Tokyo Tech, dit probleem misschien eindelijk opgelost. Door een strategie vast te stellen voor het herstellen van de lage interfaceweerstand en het ontrafelen van het mechanisme dat ten grondslag ligt aan deze reductie, heeft het team waardevolle inzichten verschaft in de productie van hoogwaardige volledig solid-state batterijen. De studie was het resultaat van een gezamenlijk onderzoek door Tokyo Tech, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) en Yamagata University.

Om te beginnen maakte het team dunne-filmbatterijen met een lithium-negatieve elektrode, een LiCoO₂ positieve elektrode en een Li₃PO₄ vast elektrolyt. Voordat de fabricage van een batterij voltooid was, legde het team de LiCoO bloot₂ oppervlakte naar lucht, stikstof (N₂), zuurstof (O₂), kooldioxide (CO₂), waterstof (H₂), en waterdamp (H₂O) gedurende 30 minuten.

Tot hun verbazing ontdekten ze dat blootstelling aan N₂, The₂, CO₂, en H₂, heeft de batterijprestaties niet verslechterd in vergelijking met een niet-blootgestelde batterij. “Alleen H₂O-damp degradeert Li sterk₃PO₄ – LiCoO₂ interface en verhoogt de weerstand drastisch tot een waarde die meer dan 10 keer hoger is dan die van de onbelichte interface”, zegt prof. Hitosugi.

Het team voerde vervolgens een proces uit dat "gloeien" wordt genoemd, waarbij het monster een uur lang een warmtebehandeling onderging bij 150°C in batterijvorm, dwz met de negatieve elektrode gedeponeerd. Verbazingwekkend genoeg verminderde dit de weerstand tot 10.3 Ω cm², vergelijkbaar met die van de onbelichte batterij!

Door numerieke simulaties en geavanceerde metingen uit te voeren, onthulde het team vervolgens dat de reductie kon worden toegeschreven aan de spontane verwijdering van protonen uit de LiCoO₂ structuur tijdens het gloeien.

“Ons onderzoek laat zien dat protonen in de LiCoO₂ structuur spelen een belangrijke rol in het herstelproces. We hopen dat de opheldering van deze interfaciale microscopische processen het toepassingspotentieel van all-solid-state batterijen zou helpen verbreden”, concludeert prof. Hitosugi.