Rola wyżarzania w poprawie wydajności litowej baterii półprzewodnikowej

Całkowicie półprzewodnikowe akumulatory litowe stały się nowym trendem w materiałoznawstwie i inżynierii, ponieważ konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe nie są już w stanie spełniać standardów zaawansowanych technologii, takich jak pojazdy elektryczne, które wymagają dużej gęstości energii, szybkiego ładowania i długiego cyklu zyje. Akumulatory całkowicie półprzewodnikowe, w których zamiast elektrolitu ciekłego stosowanego w tradycyjnych akumulatorach zastosowano elektrolit stały, nie tylko spełniają te standardy, ale są porównywalnie bezpieczniejsze i wygodniejsze, ponieważ umożliwiają ładowanie w krótkim czasie.

Jednakże stały elektrolit wiąże się z pewnym wyzwaniem. Okazuje się, że na styku elektrody dodatniej i elektrolitu stałego występuje duży opór elektryczny, którego pochodzenie nie jest dobrze poznane. Co więcej, rezystancja wzrasta, gdy powierzchnia elektrody jest wystawiona na działanie powietrza, co pogarsza pojemność i wydajność akumulatora. Chociaż podjęto kilka prób obniżenia rezystancji, żadnej nie udało się obniżyć jej do 10 Ω cm² (om-centymetr kwadratowy): podana wartość rezystancji interfejsu, gdy nie jest wystawiony na działanie powietrza.

Teraz, w niedawnym badaniu opublikowanym w Materiały i interfejsy ACS, zespół badawczy kierowany przez prof. Taro Hitosugi z Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) w Japonii i Shigeru Kobayashiego, doktoranta w Tokyo Tech, być może w końcu rozwiązał ten problem. Ustalając strategię przywracania niskiej rezystancji interfejsu, a także odkrywając mechanizm leżący u podstaw tej redukcji, zespół dostarczył cennych informacji na temat produkcji wysokowydajnych akumulatorów półprzewodnikowych. Badanie było wynikiem wspólnych badań Tokyo Tech, Narodowego Instytutu Zaawansowanych Nauk i Technologii Przemysłowych (AIST) oraz Uniwersytetu Yamagata.

Na początek zespół przygotował baterie cienkowarstwowe zawierające litową elektrodę ujemną, LiCoO₂ elektroda dodatnia i Li₃PO₄ stały elektrolit. Przed ukończeniem produkcji baterii zespół odsłonił LiCoO₂ powierzchnia do powietrza, azot (N₂), tlen (O₂), dwutlenek węgla (CO₂), wodór (H₂) i parę wodną (H₂O) przez 30 minut.

Ku swemu zaskoczeniu odkryli, że narażenie na N₂, O₂, CO₂, i H₂, nie pogorszyło wydajności baterii w porównaniu z baterią nienaświetloną. „Tylko H₂Para O silnie degraduje Li₃PO₄ – LiCoO₂ interfejsu i drastycznie zwiększa jego rezystancję do wartości ponad 10 razy wyższej niż w przypadku interfejsu nienaświetlonego” – mówi prof. Hitosugi.

Następnie zespół przeprowadził proces zwany „wyżarzaniem”, podczas którego próbkę poddano obróbce cieplnej w temperaturze 150°C przez godzinę w formie akumulatora, tj. z osadzoną elektrodą ujemną. O dziwo, zmniejszyło to rezystancję do 10.3 Ω cm², porównywalny z akumulatorem nienaświetlonym!

Przeprowadzając symulacje numeryczne i najnowocześniejsze pomiary, zespół ujawnił następnie, że redukcję można przypisać spontanicznemu usuwaniu protonów z wnętrza LiCoO₂ strukturę podczas wyżarzania.

„Nasze badanie pokazuje, że protony w LiCoO₂ struktura odgrywa ważną rolę w procesie odzyskiwania. Mamy nadzieję, że wyjaśnienie tych międzyfazowych procesów mikroskopowych pomoże poszerzyć potencjał zastosowań akumulatorów całkowicie półprzewodnikowych” – podsumowuje prof. Hitosugi.