Nedavno je tim profesora Zhanga Qianga s Odsjeka za kemijsko inženjerstvo na Sveučilištu Tsinghua objavio rezultate istraživanja o dizajnu strukture međusklopa bulk/površina katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem za metalne litijeve baterije u čvrstom stanju. Predložili su in-situ strategiju regulacije strukture sučelja nasipno/površinsko, konstruirali su brz i stabilan Li+/e−put i promovirali praktičnu primjenu katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem u litijevim baterijama u potpunom stanju.
Baterije igraju vitalnu ulogu u modernom energetskom polju i postigle su veliki uspjeh u prijenosnim elektroničkim uređajima, električnim vozilima i aplikacijama za pohranjivanje energije na mrežnom nivou. Međutim, dok poboljšavate gustoću energije baterija, ključno je osigurati sigurnost baterija. S brzim rastom potražnje za poboljšanjem gustoće energije baterija, tradicionalna tehnologija litij-ionskih baterija koja se oslanja na tradicionalne katodne materijale i organske elektrolite naišla je na tehnička uska grla u dugoročnoj stabilnosti ciklusa, širokom temperaturnom rasponu i sigurnosti. U usporedbi s tradicionalnim litij-ionskim baterijama, potpuno čvrste litijeve baterije mogu probiti višu granicu gustoće energije. Zbog svoje izvrsne gustoće energije i sigurnosnih karakteristika, također je postala baterijska tehnologija sljedeće generacije koja najviše obećava. Unatoč tome, klasični katodni materijali trenutno ne mogu zadovoljiti visoke gustoće energije i sigurnosne zahtjeve litijskih baterija u čvrstom stanju. Katodni materijali na bazi mangana bogati litijem postali su katodni materijali koji najviše obećavaju za litijeve baterije u potpunom stanju zbog svog specifičnog kapaciteta pražnjenja većeg ili jednakog 250 mAh/g, gustoće energije veće ili jednake 1000 Wh/kg , i nizak sadržaj Co i Ni.
Međutim, zbog niske elektroničke vodljivosti i očite ireverzibilne redoks reakcije, struktura sučelja ozbiljno je degradirana, što čini kinetičko ponašanje katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem tijekom punjenja i pražnjenja oštećenim. Fenomen istjecanja kisika pogoršava ovo ponašanje kvara sučelja, što dovodi do oksidativne razgradnje elektrolita, što zauzvrat uništava stabilnost sučelja između katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem i elektrolita.
Izgradnja i održavanje stabilnog Li+ i e−transportnog puta za bateriju u radnom stanju preduvjet je za promicanje dugog ciklusa potpuno solid-state baterija u praktičnim uvjetima. Istraživački tim može konstruirati stabilan i brz Li+/e−put in situ na sučelju katodnog materijala/krutog elektrolita prilagođavanjem strukture sučelja bulk/površina i inovativnim dizajnom, promicanjem aktivnosti redoks reakcije anionskog kisika i povećanjem reverzibilnosti redoks reakcija anionskog kisika na površini katodnog materijala litijeve baterije u potpunom stanju na sobnoj temperaturi, čime se stabilizira visokonaponsko sučelje čvrsto-kruto tijelo.
Slika 1. Shematski dijagram modifikacije strategije dizajna strukture sučelja bulk/površina katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem
Ova studija predložila je strategiju sinteze u jednom koraku za optimizaciju strukture sučelja bulk/površina katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem i stvorila katodni materijal na bazi mangana bogat litijem (5W&LRMO) s bulk ugrađenom strukturom, W dopingom i Li2WO4 površinski premaz. Ova struktura povećava strukturnu stabilnost katodnih materijala bogatih litijem na bazi mangana, poboljšava kinetiku prijenosa Li+/e− i značajno pojačava redoks aktivnost kationa prijelaznih metala i anionskog kisika. Postiže se kompenzacija naboja anionskih redoks reakcija kisika tijekom procesa punjenja i pražnjenja, čime se promiče reverzibilnost redoks reakcija iona kisika na površini katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem i stabilizira visokonaponsko sučelje čvrsto-kruto tijelo. Optimizirano sučelje osigurava stabilnost punjenja i pražnjenja u visokonaponskom području i održava učinkovitu kinetiku Li+/e−prijenosa tijekom dugog perioda ciklusa, čime se poboljšava stopa iskorištenja aktivnih tvari u kompozitnom katodnom materijalu.
Slika 2. Evolucija međupovršinske kinetike prijenosa Li+ katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem tijekom procesa prvog punjenja i pražnjenja
Ova je studija otkrila proces evolucije impedancije sučelja između katode na bazi mangana bogate litijem i elektrolita ispitivanjem in situ spektroskopije impedancije (EIS) u kombinaciji s analizom vremena opuštanja (DRT). Predložena metoda omogućuje vizualizaciju procesa evolucije sučelja tijekom prvog punjenja i pražnjenja te procesa dugog ciklusa. Studija duboko razumije evoluciju strukture sučelja između katodnog materijala na bazi mangana bogatog litijem i elektrolita prije i poslije modifikacije. Utvrđeno je da katodni materijal na bazi mangana bogat litijem prije modifikacije pokazuje ireverzibilnu redoks reakciju aniona kisika pri visokom naponu, dodatno oksidirajući međusklop katode i elektrolita, što rezultira značajnim povećanjem impedancije i ometa međupovršinski prijenos Li+. Nasuprot tome, modificirani katodni materijal na bazi mangana bogat litijem pokazuje stabilnu/brzu Li+ difuzijsku kinetiku, posebno pri visokom naponu od 4,6 V, minimizirajući promjenu u vrijednosti međupovršinske impedancije. Stoga se brži i stabilniji međufazni Li+ prijenos promiče poboljšanjem reverzibilnosti redoks reakcije anionskog kisika. Za kompozitne katodne materijale lakše je postići industrijske primjene s površinskim kapacitetom od ~3 mAh/cm2 ili čak i većim. Na 25 stupnjeva, površinski kapacitet 5W&LRMO katodnog materijala s velikim opterećenjem pri 0.2 C stopi je oko 2,5 mAh/cm2, a stopa zadržavanja kapaciteta je 88,1% nakon 100 ciklusa; pri visokoj stopi od 1 C, pokazuje stabilnost ultradugog ciklusa, sa stopom zadržavanja kapaciteta od 84,1% nakon 1200 ciklusa. Istraživanje pruža novi način dizajniranja strukture sučelja bulk/površina katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijem i učinkovit način za poboljšanje gustoće energije litijevih baterija u potpunom stanju.
Dana 1. listopada relevantni rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Američkog kemijskog društva pod naslovom "Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries".
TOB NOVA ENERGIJApruža potpuni skuprješenja solid-state baterija, uključujućimaterijali za čvrste baterije, oprema za poluprovodničke baterije ilinija za proizvodnju poluprovodničkih baterijarješenja.
