Ученые уменьшают сопротивление полностью твердотельных батарей путем нагрева

Полностью твердотельные аккумуляторы теперь на один шаг ближе к тому, чтобы стать электростанцией следующего поколения, поскольку исследователи из Tokyo Tech, Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST) и Университета Ямагата представляют стратегию восстановления их низкого электрического заряда и изучают лежащий в основе механизм восстановления, прокладывая путь к более фундаментальному пониманию работы полностью твердотельных литиевых батарей.

Фото: Сигеру Кобаяши и Таро Хитосуги из Токийского технологического института

Полностью твердотельные литиевые батареи стали новым увлечением в материаловедении и инженерии, поскольку обычные литий-ионные батареи больше не могут соответствовать стандартам передовых технологий, таких как электромобили, которые требуют высокой плотности энергии, быстрой зарядки и длительного цикла. жизни. Полностью твердотельные батареи, в которых вместо жидкого электролита, используемого в традиционных батареях, используется твердый электролит , не только соответствуют этим стандартам, но и сравнительно безопаснее и удобнее, поскольку их можно заряжать за короткое время.

Однако у твердого электролита есть свои проблемы. Оказывается, на границе между положительным электродом и твердым электролитом имеется большое электрическое сопротивление, происхождение которого не совсем понятно. Кроме того, сопротивление увеличивается, когда поверхность электрода подвергается воздействию воздуха, что снижает емкость и производительность батареи. Несмотря на то, что было предпринято несколько попыток снизить сопротивление, ни одной из них не удалось снизить его до 10 Ом·см 2 (Ом на квадратный сантиметр), что соответствует заявленному значению сопротивления интерфейса без контакта с воздухом.

Теперь, в недавнем исследовании, опубликованном в ACS Applied Materials & Interfaces , исследовательская группа во главе с профессором Таро Хитосуги из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, и Сигеру Кобаяши, докторантом Tokyo Tech, возможно, наконец решила эту проблему. Разработав стратегию восстановления низкого сопротивления интерфейса, а также раскрыв механизм, лежащий в основе этого снижения, команда предоставила ценную информацию о производстве высокопроизводительных полностью твердотельных аккумуляторов.

Для начала команда подготовила тонкопленочные батареи, содержащие литиевый отрицательный электрод, положительный электрод LiCoO 2 и твердый электролит Li 3 PO 4 . Прежде чем завершить изготовление батареи, группа подвергла поверхность LiCoO 2 воздействию воздуха, азота (N 2 ), кислорода (O 2 ), двуокиси углерода (CO 2 ), водорода (H 2 ) и паров воды (H 2 O). ) в течение 30 минут.

К своему удивлению, они обнаружили, что воздействие N 2 , O 2 , CO 2 и H 2 не ухудшает характеристики батареи по сравнению с батареей, не подвергавшейся воздействию. «Только пары H2O сильно разрушают поверхность раздела Li 3 PO 4 -LiCoO 2 и резко повышают ее сопротивление до значения более чем в 10 раз выше, чем у не подвергавшейся воздействию границы раздела», — говорит профессор Хитосуги.

Затем команда провела процесс, называемый «отжигом», в ходе которого образец подвергался термической обработке при 150 ° C в течение часа в форме батареи, то есть с осажденным отрицательным электродом. Удивительно, но это уменьшило сопротивление до 10,3 Ом·см 2 , что сравнимо с сопротивлением незащищенной батареи.

Выполнив численное моделирование и передовые измерения, команда затем обнаружила, что уменьшение может быть связано со спонтанным удалением протонов из структуры LiCoO 2 во время отжига.

«Наше исследование показывает, что протоны в структуре LiCoO 2 играют важную роль в процессе восстановления. Мы надеемся, что объяснение этих межфазных микроскопических процессов поможет расширить потенциал применения полностью твердотельных аккумуляторов» , — заключает профессор Хитосуги.

Дополнительная информация: резкое снижение сопротивления поверхности раздела твердый электролит-электрод за счет отжига в форме батареи, ACS Applied Materials & Interfaces (2022). DOI: 10.1021/acsami.1c17945

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Опубликуйте материал о ваших технологиях, проектах, стратапах

Размещение материала

hello@technovery.com