Tamamen Katı Hal Lityum Pil Performansını İyileştirmede Tavlamanın Rolü

Geleneksel lityum iyon piller, yüksek enerji yoğunluğu, hızlı şarj ve uzun çevrim gerektiren elektrikli araçlar gibi ileri teknolojilerin standartlarını artık karşılayamadığı için, tamamen katı hal lityum piller malzeme bilimi ve mühendisliğinde yeni bir çılgınlık haline geldi. hayatları. Geleneksel pillerde bulunan sıvı elektrolit yerine katı elektrolit kullanan all-solid-state piller, bu standartları karşılamanın yanı sıra, kısa sürede şarj olma imkanına sahip olmaları nedeniyle nispeten daha güvenli ve kullanışlıdır.

Ancak katı elektrolitin de kendi zorlukları vardır. Pozitif elektrot ile katı elektrolit arasındaki arayüzün, kökeni iyi anlaşılmayan büyük bir elektrik direnci gösterdiği ortaya çıktı. Ayrıca elektrot yüzeyi havaya maruz kaldığında direnç artar, pil kapasitesi ve performansı düşer. Direnci düşürmek için çeşitli girişimlerde bulunulmasına rağmen hiçbiri onu 10 Ω cm'ye düşürmeyi başaramadı.² (ohm santimetre kare), havaya maruz kalmadığında rapor edilen arayüz direnci değeri.

Şimdi, yakın zamanda yayınlanan bir çalışmada ACS Uygulamalı Malzemeler ve ArayüzlerJaponya'nın Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nden (Tokyo Tech) Prof. Taro Hitosugi ve Tokyo Tech'de doktora öğrencisi Shigeru Kobayashi'nin liderliğindeki bir araştırma ekibi nihayet bu sorunu çözmüş olabilir. Ekip, düşük arayüz direncini geri kazanmaya ve bu azalmanın altında yatan mekanizmayı çözmeye yönelik bir strateji oluşturarak, yüksek performanslı tamamen katı hal pillerin üretimi konusunda değerli bilgiler sağladı. Çalışma Tokyo Tech, Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST) ve Yamagata Üniversitesi'nin ortak araştırmasının sonucuydu.

Ekip, başlangıç ​​olarak lityum negatif elektrot (LiCoO) içeren ince film piller hazırladı.₂ pozitif elektrot ve bir Li₃PO₄ katı elektrolit. Ekip, pilin üretimini tamamlamadan önce LiCoO'yu açığa çıkardı.₂ yüzeyden havaya, nitrojen (N₂), oksijen (O₂), karbondioksit (CO₂), hidrojen (H₂) ve su buharı (H₂O) 30 dakika boyunca.

Şaşırtıcı bir şekilde, N'ye maruz kalmanın₂,₂, CO₂ve H₂, açıkta olmayan bir pile kıyasla pil performansını düşürmedi. “Sadece H₂O buharı Li'yi güçlü bir şekilde bozar₃PO₄ – LiCoO₂ ve direncini, açıkta olmayan arayüze göre 10 kat daha yüksek bir değere kadar büyük ölçüde artırıyor” diyor Prof. Hitosugi.

Ekip daha sonra "tavlama" adı verilen bir işlem gerçekleştirdi; burada numune, pil formunda, yani negatif elektrot biriktirilerek bir saat boyunca 150°C'de ısıl işleme tabi tutuldu. Şaşırtıcı bir şekilde bu, direnci 10.3 Ω cm'ye düşürdü², açıkta olmayan pilinkiyle karşılaştırılabilir!

Ekip daha sonra sayısal simülasyonlar ve son teknoloji ölçümler yaparak azalmanın LiCoO içindeki protonların kendiliğinden uzaklaştırılmasına atfedilebileceğini ortaya çıkardı.₂ Tavlama sırasındaki yapı.

"Çalışmamız LiCoO'daki protonların₂ Yapı iyileşme sürecinde önemli bir rol oynar. Bu arayüzey mikroskobik süreçlerin aydınlatılmasının, tamamen katı hal pillerinin uygulama potansiyelinin genişletilmesine yardımcı olacağını umuyoruz” diye bitiriyor Prof. Hitosugi.