21 жніўня прафесар М.А. Чэн з Кітайскага ўніверсітэта навукі і тэхналогій (USTC) і яго калегі прапанавалі эфектыўную стратэгію вырашэння праблемы кантакту электродаў і электралітаў, якая абмяжоўвае распрацоўку цвёрдацельных літыевых акумулятараў наступнага пакалення. Створаны такім чынам цвёрдацельны кампазітны электрод прадэманстраваў выключную ёмістасць і хуткасць.
Замена арганічнага вадкага электраліта ў звычайных літый-іённых акумулятарах цвёрдымі электралітамі можа значна палегчыць праблемы бяспекі і патэнцыйна разбурыць «шкляную столь» для паляпшэння шчыльнасці энергіі. Аднак асноўныя матэрыялы электродаў таксама з'яўляюцца цвёрдымі рэчывамі. Паколькі кантакт паміж двума цвёрдымі целамі практычна немагчымы, каб быць такім жа цесным, як паміж цвёрдым і вадкім, у цяперашні час акумулятары на аснове цвёрдых электралітаў звычайна дэманструюць дрэнны кантакт паміж электродам і электралітам і незадавальняючыя характарыстыкі поўнага элемента.
«Праблема кантакту электродаў і электралітаў у цвёрдацельных акумулятарах чымсьці падобная на найкарацейшую кійку драўлянай бочкі», — сказаў прафесар М. А. Чэн з Тэхаскага тэхналагічнага інстытута ЗША, вядучы аўтар даследавання. «Насамрэч, за гэтыя гады даследчыкі ўжо распрацавалі шмат выдатных электродаў і цвёрдых электралітаў, але дрэнны кантакт паміж імі ўсё яшчэ абмяжоўвае эфектыўнасць транспарціроўкі літый-іённых акумулятараў».
На шчасце, стратэгія MA можа пераадолець гэтую сур'ёзную праблему. Даследаванне пачалося з паатамнага вывучэння прымеснай фазы ў прататыпе цвёрдага электраліта са структурай пероўскіту. Нягледзячы на тое, што крышталічная структура прымесі і цвёрдага электраліта значна адрознівалася, было заўважана, што яны ўтвараюць эпітаксіяльныя інтэрфейсы. Пасля серыі падрабязных структурных і хімічных аналізаў даследчыкі выявілі, што прымесная фаза ізаструктурная з высокаёмістымі слаістымі электродамі, багатымі літыем. Гэта значыць, прататып цвёрдага электраліта можа крышталізавацца на «шаблоне», утвораным атамным каркасам высокапрадукцыйнага электрода, што прыводзіць да атамна цесных інтэрфейсаў.
«Гэта сапраўды нечакана», — сказаў першы аўтар даследавання Л. І. Фучжэнь, які ў цяперашні час з'яўляецца аспірантам USTC. «Прысутнасць прымешак у матэрыяле насамрэч вельмі распаўсюджаная з'ява, настолькі распаўсюджаная, што ў большасці выпадкаў яны будуць ігнараваны. Аднак, уважліва вывучыўшы іх, мы выявілі гэтую нечаканую эпітаксіяльную паводзіны, і яна непасрэдна натхніла нас на распрацоўку стратэгіі паляпшэння кантакту цвёрдых рэчываў».
У параўнанні з распаўсюджаным падыходам халоднага прэсавання, стратэгія, прапанаваная даследчыкамі, дазваляе рэалізаваць дбайны, бясшвоўны кантакт паміж цвёрдымі электралітамі і электродамі на атамным узроўні, што адлюстравана на выяве электроннай мікраскапіі з атамным разрозненнем. (Прадастаўлена камандай MA.)
Скарыстаўшыся назіранай з'явай, даследчыкі наўмысна крышталізавалі аморфны парашок з такім жа складам, як і цвёрды электраліт са структурай пераўскіту, на паверхні слаістага злучэння, багатага літыем, і паспяхова рэалізавалі дбайны, бясшвоўны кантакт паміж гэтымі двума цвёрдымі матэрыяламі ў кампазітным электродзе. Дзякуючы вырашэнню праблемы кантакту электрод-электраліт, такі кампазітны электрод тыпу цвёрдае цела забяспечыў прапускную здольнасць, параўнальную нават з прадукцыйнасцю кампазітнага электрода тыпу цвёрдае цела-вадкасць. Што яшчэ больш важна, даследчыкі таксама выявілі, што гэты тып эпітаксіяльнага кантакту тыпу цвёрдае цела можа дапускаць вялікія неадпаведнасці рашоткі, і таму прапанаваная імі стратэгія можа быць ужытая і да многіх іншых цвёрдых электралітаў на аснове пераўскіту і слаістых электродаў.
«Гэтая праца паказала кірунак, які варта развіваць», — сказаў М.А. «Ужыванне прынцыпу, узнятага тут, да іншых важных матэрыялаў можа прывесці да яшчэ лепшых характарыстык клетак і больш цікавай навукі. Мы з нецярпеннем чакаем гэтага».
Даследчыкі маюць намер працягваць свае даследаванні ў гэтым кірунку і прымяніць прапанаваную стратэгію да іншых катодаў высокай ёмістасці і высокага патэнцыялу.
Даследаванне было апублікавана ў Matter, флагманскім часопісе Cell Press, пад назвай «Атамна цесны кантакт паміж цвёрдымі электралітамі і электродамі для літыевых батарэй». Першым аўтарам з'яўляецца Л. І. Фучжэнь, аспірант USTC. Сярод супрацоўнікаў прафесара М. А. Чэна — прафесар НАН Цэ-Вэнь з Універсітэта Цінхуа і доктар ЧЖОУ Лін з Лабараторыі Эймса.
(Школа хіміі і матэрыялазнаўства)
Спасылка на артыкул: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Час публікацыі: 03 чэрвеня 2019 г.