Нещодавно команда професора Чжан Цяна з факультету хімічної інженерії Університету Цінхуа опублікувала результати дослідження дизайну структури розділу «об’єм/поверхня» катодних матеріалів на основі багатого літію на основі марганцю для повністю твердотільних металевих літієвих батарей. Вони запропонували стратегію регулювання структури розділу «об’єм/поверхня» на місці, побудували швидкий і стабільний шлях Li+/e− та сприяли практичному застосуванню катодних матеріалів на основі марганцю, багатих літієм, у повністю твердотільних літієвих батареях.
Батареї відіграють життєво важливу роль у сучасній енергетичній галузі та досягли великого успіху в портативних електронних пристроях, електромобілях і мережевих системах зберігання енергії. Однак, підвищуючи щільність енергії акумуляторів, забезпечення безпеки акумуляторів є ключовим. Зі стрімким зростанням попиту на покращення щільності енергії акумуляторів традиційна технологія літій-іонних акумуляторів, яка спирається на традиційні катодні матеріали та органічні електроліти, зіткнулася з технічними вузькими місцями в стабільності довгострокового циклу, широкому діапазоні температур і безпеці. У порівнянні з традиційними літій-іонними батареями, повністю твердотільні літієві батареї можуть подолати вищу межу щільності енергії. Завдяки чудовій щільності енергії та характеристикам безпеки, він також став найперспективнішою технологією акумуляторів нового покоління. Незважаючи на це, класичні катодні матеріали наразі не можуть відповідати вимогам високої щільності енергії та безпеки повністю твердотільних літієвих батарей. Збагачені літієм катодні матеріали на основі марганцю стали найперспективнішими катодними матеріалами для повністю твердотільних літієвих батарей завдяки їхній розрядній питомій ємності, що перевищує або дорівнює 250 мА·год/г, щільності енергії, що перевищує або дорівнює 1000 Вт·год/кг та низький вміст Co та Ni.
Однак через низьку електронну провідність і очевидну необоротну окислювально-відновну реакцію структура інтерфейсу сильно погіршується, що погіршує кінетичну поведінку літієвих катодних матеріалів на основі марганцю під час заряду та розряду. Явище витоку кисню посилює цю поведінку руйнування поверхні розділу, що призводить до окислювального розкладання електроліту, що, у свою чергу, руйнує стабільність розділу між багатими літієм катодними матеріалами на основі марганцю та електролітами.
Побудова та підтримка стабільного Li+ та електронного транспортного шляху для батареї в робочому стані є необхідною умовою для сприяння довгому циклу повністю твердотільних батарей у практичних умовах. Дослідницька група може побудувати стабільний і швидкий шлях Li+/e−in situ на межі катодного матеріалу/твердого електроліту, регулюючи структуру розділу об’єм/поверхня та інноваційний дизайн, сприяючи активності окисно-відновної реакції аніонного кисню та посилюючи оборотність окисно-відновна реакція аніонного кисню на поверхні катодного матеріалу повністю твердотільної літієвої батареї при кімнатній температурі, тим самим стабілізуючи високовольтний інтерфейс тверде тіло.
Рисунок 1. Схематична діаграма модифікації стратегії проектування структури розділу «об’єм/поверхня» катодних матеріалів на основі марганцю, збагачених літієм
У цьому дослідженні запропоновано одноетапну стратегію синтезу для оптимізації структури розділу «об’єм/поверхня» катодних матеріалів на основі марганцю, багатого літієм, і створено катодний матеріал на основі марганцю, багатого літієм (5W&LRMO) з об’ємною вбудованою структурою, легуванням W і Li2WO4 покриття поверхні. Ця структура підвищує об’ємну структурну стабільність катодних матеріалів на основі марганцю, збагачених літієм, покращує кінетику переносу Li+/e− і значно підвищує окисно-відновну активність катіонів перехідних металів та аніонного кисню. Досягається компенсація заряду аніонних окисно-відновних реакцій кисню під час процесу заряду та розряду, що сприяє оборотності окислювально-відновних реакцій іонів кисню на поверхні літієвих катодних матеріалів на основі марганцю та стабілізує високовольтну поверхню розділу між твердим тілом. Оптимізований інтерфейс забезпечує стабільність заряду та розряду в діапазоні високої напруги та підтримує ефективну кінетику переносу Li+/e− протягом тривалого періоду циклу, тим самим покращуючи швидкість використання активних речовин у композитному матеріалі катода.
Рисунок 2. Еволюція міжфазної кінетики переносу літію літієм катодних матеріалів на основі марганцю під час першого процесу заряду та розряду
Це дослідження виявило процес еволюції імпедансу межі розділу між катодом на основі багатого літію на основі марганцю та електролітом за допомогою спектроскопії опору на місці (EIS) у поєднанні з аналізом часу релаксації (DRT). Запропонований метод дозволяє візуалізувати процес еволюції межі поділу під час першого заряду та розряду та довготривалого циклу. Дослідження глибоко розуміє еволюцію структури розділу між багатим літієм катодним матеріалом на основі марганцю та електролітом до та після модифікації. Виявлено, що збагачений літієм катодний матеріал на основі марганцю до модифікації демонструє незворотну окислювально-відновну реакцію аніонного кисню при високій напрузі, додатково окислюючи межу катода та електроліту, що призводить до значного збільшення імпедансу та перешкоджає міжфазній передачі Li+. Навпаки, модифікований катодний матеріал на основі марганцю, збагачений літієм, демонструє стабільну/швидку кінетику дифузії Li+, особливо при високій напрузі 4,6 В, мінімізуючи зміну значення міжфазного імпедансу. Таким чином, покращення оборотності окисно-відновної реакції аніонного кисню сприяє швидшій і стабільнішій міжфазній передачі Li+. Композитним катодним матеріалам легше досягти промислового застосування з поверхневою ємністю ~3 мАг/см2 або навіть вище. При 25 градусах поверхнева ємність матеріалу катода 5 Вт і LRMO із високим навантаженням на поверхню при швидкості 0.2 C становить приблизно 2,5 мА·год/см2, а коефіцієнт збереження ємності становить 88,1% після 100 циклів; при високій швидкості 1 C він показує стабільність наддовгого циклу з коефіцієнтом збереження ємності 84,1% після 1200 циклів. Дослідження пропонує новий спосіб розробки структури розділу «об’єм/поверхня» катодних матеріалів на основі марганцю, багатих на літій, і ефективний спосіб покращити щільність енергії повністю твердотільних літієвих батарей.
1 жовтня відповідні результати дослідження були опубліковані в журналі Американського хімічного товариства під назвою «Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries».
TOB НОВА ЕНЕРГІЯнадає повний набіртвердотільні батареї, в тому числіматеріали твердотільних батарей, твердотільний акумуляторне обладнання талінія виробництва твердотільних батарейрішення.
