บทบาทของการหลอมในการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตทั้งหมด

แบตเตอรีลิเธียมแบบโซลิดสเตตทั้งหมดได้กลายเป็นความนิยมใหม่ในวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม เนื่องจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิมไม่สามารถตอบสนองมาตรฐานสำหรับเทคโนโลยีขั้นสูงได้อีกต่อไป เช่น รถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูง การชาร์จที่รวดเร็ว และวงจรที่ยาวนาน ชีวิต. แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมดซึ่งใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์เหลวที่พบในแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม ไม่เพียงตรงตามมาตรฐานเหล่านี้เท่านั้น แต่ยังปลอดภัยกว่าและสะดวกกว่าเนื่องจากสามารถชาร์จได้ในเวลาอันสั้น

อย่างไรก็ตาม อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมาพร้อมกับความท้าทายในตัวเอง ปรากฎว่าส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรดบวกและอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งแสดงความต้านทานไฟฟ้าขนาดใหญ่ซึ่งไม่เข้าใจที่มาเป็นอย่างดี นอกจากนี้ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่อพื้นผิวอิเล็กโทรดสัมผัสกับอากาศ ทำให้ความจุและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง แม้ว่าจะมีความพยายามหลายครั้งเพื่อลดความต้านทาน แต่ก็ไม่มีใครสามารถทำให้มันลดลงเหลือ 10 Ω cm² (โอห์ม ตารางเซนติเมตร) ค่าความต้านทานอินเทอร์เฟซที่รายงานเมื่อไม่ได้สัมผัสกับอากาศ

ตอนนี้ในการศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ใน ACS Applied Materials & Interfacesทีมวิจัยที่นำโดย Prof. Taro Hitosugi จาก Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ประเทศญี่ปุ่น และ Shigeru Kobayashi นักศึกษาปริญญาเอกที่ Tokyo Tech อาจแก้ปัญหานี้ได้ในที่สุด ทีมงานได้ให้ข้อมูลเชิงลึกอันมีค่าในการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีประสิทธิภาพสูงด้วยการกำหนดกลยุทธ์ในการกู้คืนความต้านทานอินเทอร์เฟซต่ำและการคลี่คลายกลไกที่เป็นสาเหตุของการลดลงนี้ การศึกษานี้เป็นผลจากการวิจัยร่วมกันโดย Tokyo Tech, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) และ Yamagata University

ในการเริ่มต้น ทีมงานได้เตรียมแบตเตอรี่แบบฟิล์มบางที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรดลบลิเธียม LiCoO₂ อิเล็กโทรดบวกและ Li₃PO₄ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ก่อนเสร็จสิ้นการผลิตแบตเตอรี่ ทีมงานได้เปิดเผย LiCoO₂ พื้นผิวสู่อากาศ, ไนโตรเจน (N₂), ออกซิเจน (O₂), คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂), ไฮโดรเจน (H₂) และไอน้ำ (H₂O) เป็นเวลา 30 นาที

พวกเขาประหลาดใจที่พบว่าการสัมผัสกับ N₂,₂, CO₂และ H₂ไม่ได้ลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่ไม่ได้สัมผัส “เพียง H₂O ไอน้ำทำให้ Li . เสื่อมสภาพอย่างรุนแรง₃PO₄ – ลิโคโอ₂ และเพิ่มความต้านทานอย่างมากจนถึงค่าที่สูงกว่าอินเทอร์เฟซที่ยังไม่ได้เปิดเผยถึง 10 เท่า” Prof. Hitosugi กล่าว

ทีมต่อไปได้ดำเนินการตามกระบวนการที่เรียกว่า "การหลอม" ซึ่งตัวอย่างได้รับการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 150°C เป็นเวลาหนึ่งชั่วโมงในรูปแบบแบตเตอรี่ เช่น โดยที่อิเล็กโทรดติดลบ น่าประหลาดใจที่สิ่งนี้ลดความต้านทานลงเหลือ 10.3 Ω cm²เทียบได้กับแบตไม่หมด!

ด้วยการจำลองเชิงตัวเลขและการวัดที่ล้ำสมัย ทีมงานได้เปิดเผยว่าการลดลงนั้นเกิดจากการที่โปรตอนออกจากภายใน LiCoO เองตามธรรมชาติ₂ โครงสร้างระหว่างการหลอม

“การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าโปรตอนใน LiCoO₂ โครงสร้างมีบทบาทสำคัญในกระบวนการกู้คืน เราหวังว่าการอธิบายให้ชัดเจนของกระบวนการด้วยกล้องจุลทรรศน์ระหว่างใบหน้าเหล่านี้จะช่วยขยายศักยภาพการใช้งานของแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด” ศ.ฮิโตสึงิสรุป