Vloga žarjenja pri izboljšanju zmogljivosti polprevodniške litijeve baterije

Polprevodniške litijeve baterije so postale nova norija v znanosti o materialih in inženiringu, saj običajne litij-ionske baterije ne morejo več izpolnjevati standardov za napredne tehnologije, kot so električna vozila, ki zahtevajo visoko energijsko gostoto, hitro polnjenje in dolg cikel življenja. Polprevodniške baterije, ki uporabljajo trden elektrolit namesto tekočega elektrolita, ki ga najdemo v tradicionalnih baterijah, ne le izpolnjujejo te standarde, ampak so razmeroma varnejše in priročnejše, saj imajo možnost polnjenja v kratkem času.

Vendar ima trdni elektrolit svoj izziv. Izkazalo se je, da vmesnik med pozitivno elektrodo in trdnim elektrolitom kaže velik električni upor, katerega izvor ni dobro razumljen. Poleg tega se odpornost poveča, ko je površina elektrode izpostavljena zraku, kar zmanjša zmogljivost in zmogljivost baterije. Čeprav je bilo narejenih več poskusov, da bi zmanjšali upor, ga nobenemu ni uspelo zmanjšati na 10 Ω cm² (ohm centimeter na kvadrat), navedena vrednost upora vmesnika, ko ni izpostavljen zraku.

Zdaj, v nedavni študiji, objavljeni v Uporabljeni materiali in vmesniki ACS, raziskovalna skupina, ki jo vodita prof. Taro Hitosugi s Tokijskega inštituta za tehnologijo (Tokyo Tech), Japonska, in Shigeru Kobayashi, doktorski študent na Tokyo Tech, je morda končno rešila ta problem. Z vzpostavitvijo strategije za ponovno vzpostavitev nizke odpornosti vmesnika in razkritjem mehanizma, na katerem temelji to zmanjšanje, je ekipa zagotovila dragocene vpoglede v proizvodnjo visokozmogljivih polprevodniških baterij. Študija je bila rezultat skupne raziskave Tokyo Tech, Nacionalnega inštituta za napredno industrijsko znanost in tehnologijo (AIST) in univerze Yamagata.

Za začetek je ekipa pripravila tankoslojne baterije, ki vsebujejo litijevo negativno elektrodo, LiCoO₂ pozitivne elektrode in Li₃PO₄ trdni elektrolit. Pred dokončanjem izdelave baterije je ekipa izpostavila LiCoO₂ površina-zrak, dušik (N₂), kisik (O₂), ogljikov dioksid (CO₂), vodik (H₂) in vodna para (H₂O) 30 minut.

Na svoje presenečenje so ugotovili, da izpostavljenost N₂, O₂,CO₂, in H₂, ni poslabšal delovanja baterije v primerjavi z neizpostavljeno baterijo. "Samo H₂Hlapi O močno razgradijo Li₃PO₄ – LiCoO₂ vmesnik in drastično poveča svojo odpornost na vrednost, ki je več kot 10-krat višja od vrednosti neizpostavljenega vmesnika,« pravi prof. Hitosugi.

Ekipa je nato izvedla postopek, imenovan "žarjenje", v katerem je bil vzorec toplotno obdelan pri 150 °C eno uro v obliki baterije, tj. z naloženo negativno elektrodo. Presenetljivo je, da je to zmanjšalo upor na 10.3 Ω cm², primerljivo z neizpostavljeno baterijo!

Z izvajanjem numeričnih simulacij in najsodobnejših meritev je ekipa nato razkrila, da je zmanjšanje mogoče pripisati spontani odstranitvi protonov iz LiCoO₂ strukturo med žarjenjem.

»Naša študija kaže, da protoni v LiCoO₂ struktura igra pomembno vlogo v procesu okrevanja. Upamo, da bi razjasnitev teh medfaznih mikroskopskih procesov pomagala razširiti potencial uporabe polprevodniških baterij,« zaključuje prof. Hitosugi.