Pada 21 Ogos, Prof. MA Cheng dari Universiti Sains dan Teknologi China (USTC) dan rakan usaha samanya mencadangkan strategi berkesan untuk menangani isu sentuhan elektrod-elektrolit yang mengehadkan pembangunan bateri Li keadaan pepejal generasi akan datang. Elektrod komposit pepejal pepejal yang dicipta dengan cara ini mempamerkan kapasiti dan prestasi kadar yang luar biasa.
Menggantikan elektrolit cecair organik dalam bateri Li-ion konvensional dengan elektrolit pepejal boleh mengurangkan isu keselamatan dengan banyak, dan berpotensi memecahkan "siling kaca" untuk peningkatan ketumpatan tenaga. Walau bagaimanapun, bahan elektrod arus perdana juga adalah pepejal. Oleh kerana hubungan antara dua pepejal adalah hampir mustahil untuk menjadi intim seperti antara pepejal dan cecair, pada masa ini bateri berasaskan elektrolit pepejal biasanya menunjukkan sentuhan elektrod-elektrolit yang lemah dan prestasi sel penuh yang tidak memuaskan.
"Isu sentuhan elektrod-elektrolit bagi bateri keadaan pepejal adalah seperti tongkat terpendek tong kayu," kata Prof. MA Cheng dari USTC, pengarang utama kajian itu. "Sebenarnya, selama ini penyelidik telah membangunkan banyak elektrod dan elektrolit pepejal yang sangat baik, tetapi hubungan yang lemah di antara mereka masih mengehadkan kecekapan pengangkutan Li-ion."
Nasib baik, strategi MA boleh mengatasi cabaran yang menggerunkan ini. Kajian bermula dengan pemeriksaan atom demi atom bagi fasa kekotoran dalam prototaip, elektrolit pepejal berstruktur perovskit. Walaupun struktur kristal sangat berbeza antara kekotoran dan elektrolit pepejal, mereka diperhatikan untuk membentuk antara muka epitaxial. Selepas satu siri analisis struktur dan kimia terperinci, penyelidik mendapati bahawa fasa kekotoran adalah isostruktur dengan elektrod berlapis kaya Li berkapasiti tinggi. Maksudnya, prototaip elektrolit pepejal boleh mengkristal pada "templat" yang dibentuk oleh rangka kerja atom elektrod berprestasi tinggi, menghasilkan antara muka intim atom.
"Ini benar-benar satu kejutan," kata pengarang pertama LI Fuzhen, yang kini merupakan pelajar siswazah USTC. "Kehadiran kekotoran dalam bahan sebenarnya adalah fenomena yang sangat biasa, sangat biasa sehingga kebanyakan masa ia akan diabaikan. Walau bagaimanapun, selepas melihatnya dengan teliti, kami mendapati tingkah laku epitaxial yang tidak dijangka ini, dan ia secara langsung memberi inspirasi kepada strategi kami untuk meningkatkan hubungan pepejal-pejal."
Berbanding dengan pendekatan menekan sejuk yang biasa diguna pakai, strategi yang dicadangkan oleh penyelidik dapat merealisasikan hubungan yang menyeluruh dan lancar antara elektrolit pepejal dan elektrod pada skala atom, seperti yang ditunjukkan dalam imej mikroskop elektron resolusi atom.（Disediakan oleh pasukan MA.）
Mengambil kesempatan daripada fenomena yang diperhatikan, para penyelidik dengan sengaja mengkristalkan serbuk amorf dengan komposisi yang sama seperti elektrolit pepejal berstruktur perovskit pada permukaan sebatian berlapis yang kaya dengan Li, dan berjaya merealisasikan sentuhan yang menyeluruh dan lancar antara kedua-dua bahan pepejal ini dalam elektrod komposit. Dengan isu sentuhan elektrod-elektrolit ditangani, elektrod komposit pepejal-pejal seperti itu menyampaikan keupayaan kadar yang setanding dengan elektrod komposit pepejal-cecair. Lebih penting lagi, penyelidik juga mendapati jenis sentuhan pepejal-pejal epitaxial ini boleh bertolak ansur dengan ketidakpadanan kekisi besar, dan oleh itu strategi yang mereka cadangkan juga boleh digunakan untuk banyak elektrolit pepejal perovskit dan elektrod berlapis lain.
"Kerja ini menunjukkan arah yang patut diteruskan," kata MA. "Menggunakan prinsip yang dibangkitkan di sini pada bahan penting lain boleh membawa kepada prestasi sel yang lebih baik dan sains yang lebih menarik. Kami menantikannya."
Para penyelidik berhasrat untuk meneruskan penerokaan mereka ke arah ini, dan menggunakan strategi yang dicadangkan kepada katod lain yang berkapasiti tinggi dan berpotensi tinggi.
Kajian itu diterbitkan di Matter, jurnal utama Cell Press, bertajuk "Sehubungan Intim Atom antara Elektrolit Pepejal dan Elektrod untuk Bateri Li". Penulis pertama ialah LI Fuzhen, pelajar siswazah USTC. Rakan usaha sama Prof. MA Cheng termasuk Prof. NAN Ce-Wen dari Universiti Tsinghua dan Dr. ZHOU Lin dari Makmal Ames.
(Pusat Kimia dan Sains Bahan)
Pautan kertas: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Masa siaran: Jun-03-2019