Роль відпалу в покращенні роботи повністю твердотільних літієвих батарей

Повністю твердотільні літієві батареї стали новим модним моментом у матеріалознавстві та інженерії, оскільки звичайні літій-іонні батареї більше не можуть відповідати стандартам передових технологій, таких як електромобілі, які вимагають високої щільності енергії, швидкої зарядки та тривалого циклу життя. Повністю твердотільні батареї, які використовують твердий електроліт замість рідкого електроліту, який міститься в традиційних батареях, не тільки відповідають цим стандартам, але є порівняно безпечнішими та зручнішими, оскільки вони мають можливість заряджатися за короткий час.

Однак твердий електроліт має свої проблеми. Виявляється, межа розділу між позитивним електродом і твердим електролітом демонструє великий електричний опір, походження якого недостатньо зрозуміле. Крім того, опір збільшується, коли поверхня електрода піддається впливу повітря, що погіршує ємність і продуктивність акумулятора. Хоча було зроблено кілька спроб зменшити опір, жодній з них не вдалося знизити його до 10 Ом см² (Ом-сантиметр в квадраті), зареєстроване значення опору межі розділу, коли воно не піддається впливу повітря.

Тепер у недавньому дослідженні, опублікованому в Прикладні матеріали та інтерфейси АСУ, дослідницька група під керівництвом професора Таро Хітосугі з Токійського технологічного інституту (Tokyo Tech), Японія, і Шигеру Кобаясі, докторанта Токійського технічного університету, можливо, нарешті вирішили цю проблему. Розробивши стратегію відновлення низького опору інтерфейсу, а також розгадавши механізм, що лежить в основі цього зменшення, команда надала цінну інформацію про виробництво високоефективних повністю твердотільних батарей. Дослідження стало результатом спільного дослідження Tokyo Tech, Національного інституту передових промислових наук і технологій (AIST) і Університету Ямагата.

Для початку команда підготувала тонкоплівкові батареї, що містять літієвий негативний електрод, LiCoO₂ позитивний електрод і Li₃PO₄ твердий електроліт. Перш ніж завершити виготовлення батареї, команда показала LiCoO₂ поверхня-повітря, азот (N₂), кисень (О₂), вуглекислий газ (CO₂), водень (H₂) і водяна пара (H₂О) протягом 30 хвилин.

На свій подив, вони виявили, що вплив N₂, О₂, СО₂, і Х₂, не погіршує продуктивність батареї порівняно з невідкритою батареєю. «Тільки Х₂Пари O сильно руйнують Li₃PO₄ – LiCoO₂ і суттєво підвищує його стійкість до значення, яке більш ніж у 10 разів перевищує показник неекспонованої поверхні», — каже професор Хітосугі.

Далі команда виконала процес під назвою «відпал», під час якого зразок піддавався термічній обробці при 150°C протягом години у формі батареї, тобто з нанесеним негативним електродом. Дивно, але це зменшило опір до 10.3 Ом см², що можна порівняти з неекспонованим акумулятором!

Виконуючи чисельне моделювання та найсучасніші вимірювання, команда потім виявила, що зменшення можна пояснити спонтанним видаленням протонів з LiCoO₂ структура під час відпалу.

«Наше дослідження показує, що протони в LiCoO₂ структура відіграє важливу роль у процесі відновлення. Ми сподіваємося, що з’ясування цих міжфазних мікроскопічних процесів допоможе розширити потенціал застосування повністю твердотільних батарей», – підсумовує професор Хітосугі.