Недавно је тим професора Зханг Кианг-а са Одсека за хемијско инжењерство на Универзитету Тсингхуа објавио резултате истраживања о дизајну структуре сучеља на велико/површину катодних материјала на бази мангана богатих литијумом за потпуно металне литијумске батерије у чврстом стању. Они су предложили ин-ситу стратегију регулације структуре интерфејса у расутом стању/површину, конструисали брз и стабилан Ли+/е-пут и промовисали практичну примену катодних материјала на бази литијума богатих манганом у потпуно чврстим литијумским батеријама.
Батерије играју виталну улогу у модерном енергетском пољу и постигле су велики успех у преносивим електронским уређајима, електричним возилима и апликацијама за складиштење енергије у мрежи. Међутим, док се побољшава густина енергије батерија, кључ је осигурати сигурност батерија. Са брзим растом потражње за побољшањем енергетске густине батерија, традиционална технологија литијум-јонских батерија која се ослања на традиционалне катодне материјале и органске електролите наишла је на техничка уска грла у стабилности дуготрајног циклуса, широком температурном опсегу и безбедности. У поређењу са традиционалним литијум-јонским батеријама, потпуно чврсте литијумске батерије могу да пробију границу веће густине енергије. Због своје одличне густине енергије и безбедносних карактеристика, она је такође постала најперспективнија технологија батерија следеће генерације. Упркос томе, класични катодни материјали тренутно не могу да испуне захтеве високе густине енергије и безбедности за потпуно чврсте литијумске батерије. Катодни материјали на бази мангана богати литијумом постали су најперспективнији катодни материјали за потпуно чврсте литијумске батерије због њиховог специфичног капацитета пражњења већег од или једнаког 250 мАх/г, густине енергије веће или једнаке 1000 Вх/кг и низак садржај Цо и Ни.
Међутим, због ниске електронске проводљивости и очигледне иреверзибилне редокс реакције, структура интерфејса је озбиљно деградирана, због чега је кинетичко понашање катодних материјала богатих литијумом богатих манганом током пуњења и пражњења нарушено. Феномен изласка кисеоника погоршава ово понашање квара на интерфејсу, што доводи до оксидативног распадања електролита, што заузврат уништава стабилност интерфејса између катодних материјала на бази мангана и електролита.
Изградња и одржавање стабилног Ли+ и е-транспортног пута за батерију у радном стању је предуслов за промовисање дугог циклуса потпуно чврстих батерија у практичним условима. Истраживачки тим може да конструише стабилан и брз Ли+/е-пут ин ситу на интерфејсу катодног материјала/чврстог електролита прилагођавањем структуре сучеља запремине/површине и иновативног дизајна, промовише редокс реакциону активност ањонског кисеоника и побољшава реверзибилност редокс реакција ањонског кисеоника на површини катодног материјала потпуно чврсте литијумске батерије на собној температури, чиме се стабилизује високи напон чврсто-чврсто сучеље.
Слика 1. Шематски дијаграм модификације стратегије дизајна структуре међупросторне/површинске структуре катодних материјала богатих литијумом богатих манганом
Ова студија је предложила стратегију синтезе у једном кораку за оптимизацију структуре сучеља на велико/површину катодних материјала богатих литијумом на бази мангана и креирала катодни материјал на бази мангана богатог литијумом (5В&ЛРМО) са уграђеном структуром, В допингом и Ли2ВО4 површински премаз. Ова структура побољшава стабилност структуре катодних материјала богатих литијумом на бази мангана, побољшава кинетику преноса Ли+/е− и значајно повећава редокс активност катјона прелазних метала и ањонског кисеоника. Постиже се компензација наелектрисања ањонских редокс реакција кисеоника током процеса пуњења и пражњења, чиме се промовише реверзибилност редокс реакција јона кисеоника на површини катодних материјала на бази литијума богатих манганом и стабилизује високонапонско сучеље чврсто и чврсто. Оптимизовани интерфејс обезбеђује стабилност пуњења и пражњења у опсегу високог напона и одржава ефикасну кинетику Ли+/е-трансфера током дугог периода циклуса, чиме се побољшава степен искоришћења активних супстанци у композитном материјалу катоде.
Слика 2. Еволуција међуфазне кинетике Ли+ транспорта катодних материјала богатих литијумом на бази мангана током првог процеса пуњења и пражњења
Ова студија је открила процес еволуције импедансе на интерфејсу између катоде богате литијумом на бази мангана и електролита испитивањем ин ситу импедансне спектроскопије (ЕИС) у комбинацији са анализом времена релаксације (ДРТ). Предложени метод омогућава визуелизацију процеса еволуције интерфејса током првог пуњења и пражњења и процеса дугог циклуса. Студија дубоко разуме еволуцију структуре интерфејса између катодног материјала на бази литијума богатог манганом и електролита пре и после модификације. Утврђено је да катодни материјал на бази литијума богатог манганом пре модификације показује иреверзибилну редокс реакцију ањона кисеоника на високом напону, даљу оксидацију интерфејса катоде и електролита, што резултира значајним повећањем импедансе и ометањем међуфазног преноса Ли+. Насупрот томе, модификовани материјал катоде на бази мангана богат литијумом показује стабилну/брзу кинетику дифузије Ли+, посебно при високом напону од 4,6 В, минимизирајући промену вредности међуфазне импедансе. Дакле, бржи и стабилнији међуфазни Ли+ пренос се унапређује побољшањем реверзибилности редокс реакције ањона кисеоника. Композитним катодним материјалима је лакше постићи индустријске примене са површинским капацитетом од ~3 мАх/цм2 или чак већим. На 25 степени, површински капацитет материјала катодног материјала од 5В&ЛРМО са великим оптерећењем на 0.2 Ц је око 2,5 мАх/цм2, а стопа задржавања капацитета је 88,1% након 100 циклуса; при високој стопи од 1 Ц, показује стабилност изузетно дугог циклуса, са стопом задржавања капацитета од 84,1% након 1200 циклуса. Истраживање пружа нови начин да се дизајнира структура сучеља на велико/површину катодних материјала на бази мангана богатих литијумом и ефикасан начин да се побољша густина енергије потпуно чврстих литијумских батерија.
Дана 1. октобра, релевантни резултати истраживања објављени су у Јоурнал оф тхе Америцан Цхемицал Социети под насловом „Булк/Интерфациал Струцтуре Десигн оф Ли-Рицх Мн-Басед Цатходес фор Алл-Солид-Стате Литхиум Баттериес“.
ТОБ НОВА ЕНЕРГИЈАпружа пун сетрешења за чврсте батерије, укључујућиматеријали чврстих батерија, полупроводничку батеријску опрему илинија за производњу чврстих батеријарешења.
