Glödgningens roll för att förbättra prestanda för helsolid-state litiumbatterier

All-solid-state litiumbatterier har blivit den nya vurmen inom materialvetenskap och ingenjörskonst, eftersom konventionella litiumjonbatterier inte längre kan uppfylla standarderna för avancerad teknologi, såsom elfordon, som kräver hög energitäthet, snabb laddning och lång cykel liv. Helt fast tillståndsbatterier, som använder en fast elektrolyt istället för en flytande elektrolyt som finns i traditionella batterier, uppfyller inte bara dessa standarder utan är jämförelsevis säkrare och bekvämare eftersom de har möjlighet att laddas på kort tid.

Den fasta elektrolyten kommer dock med sin egen utmaning. Det visar sig att gränssnittet mellan den positiva elektroden och fast elektrolyt visar ett stort elektriskt motstånd vars ursprung inte är väl förstått. Dessutom ökar motståndet när elektrodytan utsätts för luft, vilket försämrar batteriets kapacitet och prestanda. Även om flera försök har gjorts för att sänka motståndet, har ingen lyckats få ner det till 10 Ω cm² (ohm kvadratcentimeter), det rapporterade gränssnittsresistansvärdet när det inte exponeras för luft.

Nu, i en nyligen publicerad studie ACS-tillämpat material och gränssnitt, en forskargrupp ledd av prof. Taro Hitosugi från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, och Shigeru Kobayashi, doktorand vid Tokyo Tech, kan äntligen ha löst detta problem. Genom att etablera en strategi för att återställa det låga gränssnittsmotståndet samt att reda ut mekanismen som ligger bakom denna minskning, har teamet gett värdefulla insikter om tillverkningen av högpresterande helsolid-state-batterier. Studien var resultatet av en gemensam forskning av Tokyo Tech, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) och Yamagata University.

Till att börja med förberedde teamet tunna filmbatterier bestående av en negativ litiumelektrod, en LiCoO₂ positiv elektrod och en Li₃PO₄ fast elektrolyt. Innan de slutförde tillverkningen av ett batteri, exponerade teamet LiCoO₂ yta till luft, kväve (N₂), syre (O₂), koldioxid (CO₂), väte (H₂), och vattenånga (H₂O) i 30 minuter.

Till sin förvåning fann de att exponeringen för N₂, The₂,CO₂, och H₂, försämrade inte batteriets prestanda jämfört med ett icke-exponerat batteri. "Bara H₂O-ånga bryter ner Li₃PO₄ – LiCoO₂ gränssnittet och ökar dess motstånd drastiskt till ett värde som är mer än 10 gånger högre än det oexponerade gränssnittet, säger Prof. Hitosugi.

Teamet utförde sedan en process som kallas "glödgning", där provet genomgick en värmebehandling vid 150°C under en timme i batteriform, dvs med den negativa elektroden avsatt. Otroligt nog minskade detta motståndet till 10.3 Ω cm², jämförbar med det oexponerade batteriet!

Genom att utföra numeriska simuleringar och banbrytande mätningar avslöjade teamet att minskningen kunde tillskrivas spontant avlägsnande av protoner inifrån LiCoO₂ struktur under glödgning.

"Vår studie visar att protoner i LiCoO₂ struktur spelar en viktig roll i återhämtningsprocessen. Vi hoppas att förtydligandet av dessa mikroskopiska gränssnittsprocesser skulle bidra till att vidga användningspotentialen för helfasta batterier, avslutar Prof. Hitosugi.