Роль отжига в улучшении характеристик полностью твердотельных литиевых батарей

Полностью твердотельные литиевые батареи стали новым увлечением в материаловедении и инженерии, поскольку обычные литий-ионные батареи больше не могут соответствовать стандартам передовых технологий, таких как электромобили, которые требуют высокой плотности энергии, быстрой зарядки и длительного цикла. жизни. Полностью твердотельные батареи, в которых вместо жидкого электролита, используемого в традиционных батареях, используется твердый электролит, не только соответствуют этим стандартам, но и сравнительно безопаснее и удобнее, поскольку их можно заряжать за короткое время.

Однако у твердого электролита есть свои проблемы. Оказывается, на границе между положительным электродом и твердым электролитом имеется большое электрическое сопротивление, происхождение которого не совсем понятно. Кроме того, сопротивление увеличивается, когда поверхность электрода подвергается воздействию воздуха, что снижает емкость и производительность батареи. Хотя было предпринято несколько попыток снизить сопротивление, ни одной из них не удалось снизить его до 10 Ом·см.² (Ом на квадратный сантиметр), сообщаемое значение сопротивления интерфейса без контакта с воздухом.

Теперь, в недавнем исследовании, опубликованном в Прикладные материалы и интерфейсы ACS, исследовательская группа под руководством профессора Таро Хитосуги из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, и Шигеру Кобаяши, докторанта Токийского технологического института, возможно, наконец решила эту проблему. Разработав стратегию восстановления низкого сопротивления интерфейса, а также раскрыв механизм, лежащий в основе этого снижения, команда предоставила ценную информацию о производстве высокопроизводительных полностью твердотельных аккумуляторов. Исследование стало результатом совместного исследования Tokyo Tech, Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST) и Университета Ямагата.

Для начала команда подготовила тонкопленочные батареи, содержащие литиевый отрицательный электрод, LiCoO.₂ положительный электрод и Li₃PO₄ твердый электролит. Прежде чем завершить изготовление батареи, команда исследовала LiCoO.₂ поверхность-воздух, азот (N₂), кислород (O₂), диоксид углерода (CO₂), водород (H₂) и водяной пар ( H₂О) в течение 30 минут.

К своему удивлению, они обнаружили, что воздействие N₂,₂, CO₂и H₂, не ухудшил производительность батареи по сравнению с незащищенной батареей. «Только Х₂Пары O сильно разлагают Li₃PO₄ – ЛиКоО₂ интерфейса и резко увеличивает его сопротивление до значения более чем в 10 раз выше, чем у неэкспонированного интерфейса», — говорит профессор Хитосуги.

Затем команда провела процесс, называемый «отжигом», при котором образец подвергался термической обработке при 150°C в течение часа в форме батареи, то есть с нанесенным отрицательным электродом. Удивительно, но это уменьшило сопротивление до 10.3 Ом·см.², сравнимый с таковым у неэкспонированной батареи!

Затем, выполнив численное моделирование и передовые измерения, команда обнаружила, что снижение может быть связано со спонтанным удалением протонов из LiCoO.₂ структуру при отжиге.

«Наше исследование показывает, что протоны в LiCoO₂ Структура играет важную роль в процессе восстановления. Мы надеемся, что выяснение этих межфазных микроскопических процессов поможет расширить потенциал применения полностью твердотельных батарей», — заключает профессор Хитосуги.