Πρόσφατα, η ομάδα του καθηγητή Zhang Qiang από το Τμήμα Χημικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Tsinghua δημοσίευσε τα ερευνητικά αποτελέσματα σχετικά με το σχεδιασμό δομής διεπαφής όγκου/επιφανείας καθοδικών υλικών πλούσιων σε λίθιο με βάση το μαγγάνιο για μπαταρίες μετάλλου λιθίου σε στερεά κατάσταση. Πρότειναν μια in situ στρατηγική ρύθμισης δομής διεπαφής χύδην/επιφανείας, κατασκεύασαν μια γρήγορη και σταθερή διαδρομή Li+/e− και προώθησαν την πρακτική εφαρμογή υλικών καθόδου πλούσιων σε λίθιο με βάση το μαγγάνιο σε μπαταρίες λιθίου σε στερεά κατάσταση.
Οι μπαταρίες διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στο σύγχρονο ενεργειακό πεδίο και έχουν επιτύχει μεγάλη επιτυχία σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτρικά οχήματα και εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας σε κλίμακα δικτύου. Ωστόσο, ενώ βελτιώνεται η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών, η διασφάλιση της ασφάλειας των μπαταριών είναι το κλειδί. Με την ταχεία αύξηση της ζήτησης για βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας των μπαταριών, η παραδοσιακή τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου που βασίζεται σε παραδοσιακά υλικά καθόδου και οργανικούς ηλεκτρολύτες έχει αντιμετωπίσει τεχνικά σημεία συμφόρησης στη μακροπρόθεσμη σταθερότητα του κύκλου, το ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και την ασφάλεια. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι μπαταρίες λιθίου σε στερεά κατάσταση μπορούν να ξεπεράσουν το υψηλότερο όριο ενεργειακής πυκνότητας. Λόγω της εξαιρετικής ενεργειακής πυκνότητας και των χαρακτηριστικών ασφαλείας του, έχει γίνει επίσης η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία μπαταριών επόμενης γενιάς. Παρόλα αυτά, τα κλασικά υλικά καθόδου δεν μπορούν επί του παρόντος να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και ασφάλειας των μπαταριών λιθίου σε στερεά κατάσταση. Τα πλούσια σε λίθιο υλικά καθόδου με βάση το μαγγάνιο έχουν γίνει τα πιο πολλά υποσχόμενα υλικά καθόδου για μπαταρίες λιθίου σε στερεά κατάσταση λόγω της ειδικής χωρητικότητας εκφόρτισης μεγαλύτερη από ή ίση με 250 mAh/g, ενεργειακή πυκνότητα μεγαλύτερη από ή ίση με 1000 Wh/kg και χαμηλή περιεκτικότητα σε Co και Ni.
Ωστόσο, λόγω της χαμηλής ηλεκτρονικής αγωγιμότητας και της προφανούς μη αναστρέψιμης αντίδρασης οξειδοαναγωγής, η δομή της διεπαφής υποβαθμίζεται σοβαρά, γεγονός που καθιστά μειωμένη την κινητική συμπεριφορά των πλούσιων σε λίθιο υλικών καθόδου με βάση το μαγγάνιο κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Το φαινόμενο διαφυγής οξυγόνου επιδεινώνει αυτή τη συμπεριφορά αστοχίας της διεπαφής, οδηγώντας σε οξειδωτική αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη, η οποία με τη σειρά της καταστρέφει τη σταθερότητα της διεπαφής μεταξύ των πλούσιων σε λίθιο υλικών καθόδου με βάση το μαγγάνιο και των ηλεκτρολυτών.
Η κατασκευή και η διατήρηση μιας σταθερής διαδρομής μεταφοράς Li+ και e−για την μπαταρία σε κατάσταση λειτουργίας είναι η προϋπόθεση για την προώθηση του μακρού κύκλου των μπαταριών σε στερεά κατάσταση υπό πρακτικές συνθήκες. Η ερευνητική ομάδα μπορεί να κατασκευάσει ένα σταθερό και γρήγορο μονοπάτι Li+/e− in situ στη διεπιφάνεια υλικού καθόδου/στερεού ηλεκτρολύτη, προσαρμόζοντας τη δομή διεπαφής όγκου/επιφανείας και καινοτόμου σχεδιασμού, προάγοντας τη δραστηριότητα αντίδρασης οξειδοαναγωγής του ανιονικού οξυγόνου και ενισχύοντας την αναστρεψιμότητα του η αντίδραση οξειδοαναγωγής του ανιονικού οξυγόνου στην επιφάνεια του υλικού καθόδου της μπαταρίας λιθίου σε στερεά κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου, σταθεροποιώντας έτσι την υψηλή τάσης διεπαφή στερεού-στερεού.
Σχήμα 1. Σχηματικό διάγραμμα της τροποποίησης της στρατηγικής σχεδιασμού δομής διεπαφής όγκου/επιφανείας καθοδικών υλικών πλούσιων σε λίθιο με βάση το μαγγάνιο
Αυτή η μελέτη πρότεινε μια στρατηγική σύνθεσης ενός βήματος για τη βελτιστοποίηση της δομής διεπαφής όγκου/επιφανείας των πλούσιων σε λίθιο υλικών καθόδου με βάση μαγγάνιο και δημιούργησε ένα πλούσιο σε λίθιο υλικό καθόδου με βάση το μαγγάνιο (5W&LRMO) με ενσωματωμένη δομή χύδην, W ντόπινγκ και Επιφανειακή επίστρωση Li2WO4. Αυτή η δομή ενισχύει τη μαζική δομική σταθερότητα των πλούσιων σε λίθιο υλικών καθόδου με βάση το μαγγάνιο, βελτιώνει την κινητική μεταφοράς του Li+/e− και ενισχύει σημαντικά την οξειδοαναγωγική δραστηριότητα των κατιόντων μετάλλων μετάπτωσης και του ανιονικού οξυγόνου. Επιτυγχάνεται αντιστάθμιση φορτίου των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής ανιονικού οξυγόνου κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, προάγοντας έτσι την αναστρεψιμότητα των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής ιόντων οξυγόνου στην επιφάνεια των πλούσιων σε λίθιο υλικών καθόδου με βάση το μαγγάνιο και σταθεροποιώντας τη διεπιφάνεια στερεού-στερεού υψηλής τάσης. Η βελτιστοποιημένη διεπαφή εξασφαλίζει σταθερότητα φόρτισης και εκφόρτισης στο εύρος υψηλής τάσης και διατηρεί αποτελεσματική κινητική μεταφοράς Li+/e−για μια μακρά περίοδο κύκλου, βελτιώνοντας έτσι τον ρυθμό χρήσης των δραστικών ουσιών στο σύνθετο υλικό καθόδου.
Εικόνα 2. Εξέλιξη της διεπιφανειακής κινητικής μεταφοράς Li+ των πλούσιων σε λίθιο υλικών καθόδου με βάση το μαγγάνιο κατά τη διάρκεια της πρώτης διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης
Αυτή η μελέτη αποκάλυψε τη διαδικασία εξέλιξης της σύνθετης αντίστασης της διεπαφής μεταξύ της καθόδου με βάση το μαγγάνιο με πλούσια σε λίθιο και του ηλεκτρολύτη με επιτόπια δοκιμή φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης (EIS) σε συνδυασμό με ανάλυση χρόνου χαλάρωσης (DRT). Η προτεινόμενη μέθοδος επιτρέπει την οπτικοποίηση της διαδικασίας εξέλιξης της διεπαφής κατά τη διάρκεια της πρώτης φόρτισης και εκφόρτισης και της διαδικασίας μεγάλου κύκλου. Η μελέτη κατανοεί βαθιά την εξέλιξη της δομής της διεπαφής μεταξύ του πλούσιου σε λίθιο υλικού καθόδου με βάση το μαγγάνιο και του ηλεκτρολύτη πριν και μετά την τροποποίηση. Βρέθηκε ότι το πλούσιο σε λίθιο υλικό καθόδου με βάση το μαγγάνιο πριν από την τροποποίηση εμφανίζει μη αναστρέψιμη αντίδραση οξειδοαναγωγής οξυγόνου ανιόντος σε υψηλή τάση, οξειδώνοντας περαιτέρω τη διεπιφάνεια καθόδου και ηλεκτρολύτη, με αποτέλεσμα σημαντική αύξηση της σύνθετης αντίστασης και παρεμπόδιση της διεπιφανειακής μετάδοσης Li+. Αντίθετα, το τροποποιημένο υλικό καθόδου με βάση το μαγγάνιο, πλούσιο σε λίθιο, παρουσιάζει σταθερή/ταχεία κινητική διάχυσης Li+, ειδικά σε υψηλή τάση 4,6 V, ελαχιστοποιώντας την αλλαγή στην τιμή της διεπιφανειακής αντίστασης. Ως εκ τούτου, η ταχύτερη και πιο σταθερή διεπιφανειακή μετάδοση Li+ προωθείται με τη βελτίωση της αναστρεψιμότητας της αντίδρασης οξειδοαναγωγής οξυγόνου ανιόντων. Είναι ευκολότερο για τα σύνθετα καθοδικά υλικά να επιτύχουν εφαρμογές βιομηχανικής ποιότητας με χωρητικότητα επιφάνειας ~3 mAh/cm2 ή ακόμα μεγαλύτερη. Στις 25 μοίρες , η χωρητικότητα επιφάνειας του υλικού καθόδου 5W&LRMO με φορτίο υψηλών επιφανειών με ρυθμό 0.2 C είναι περίπου 2,5 mAh/cm2 και ο ρυθμός διατήρησης χωρητικότητας είναι 88,1% μετά από 100 κύκλους. σε υψηλό ρυθμό 1 C, δείχνει σταθερότητα εξαιρετικά μεγάλου κύκλου, με ποσοστό διατήρησης χωρητικότητας 84,1% μετά από 1200 κύκλους. Η έρευνα παρέχει έναν νέο τρόπο σχεδιασμού της δομής διεπαφής όγκου/επιφανείας των πλούσιων σε λίθιο υλικών καθόδου με βάση το μαγγάνιο και έναν αποτελεσματικό τρόπο βελτίωσης της ενεργειακής πυκνότητας των μπαταριών λιθίου σε στερεά κατάσταση.
Την 1η Οκτωβρίου, τα σχετικά ερευνητικά αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο Journal of the American Chemical Society με τίτλο «Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries».
TOB ΝΕΟ ΕΝΈΡΓΕΙΑπαρέχει ένα πλήρες σετ απόλύσεις μπαταριών στερεάς κατάστασης, συμπεριλαμβανομένωνυλικά μπαταρίας στερεάς κατάστασης, εξοπλισμός μπαταριών στερεάς κατάστασης καιγραμμή παραγωγής μπαταριών στερεάς κατάστασηςλύσεις.
