21 Ağustos'ta, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden (USTC) Prof. MA Cheng ve çalışma arkadaşları, yeni nesil katı hal Li pillerinin geliştirilmesini sınırlayan elektrot-elektrolit temas sorununu çözmek için etkili bir strateji önerdi. Bu şekilde oluşturulan katı-katı kompozit elektrot, olağanüstü kapasite ve hız performansı sergiledi.
Geleneksel Li-ion pillerdeki organik sıvı elektrolitin katı elektrolitlerle değiştirilmesi, güvenlik sorunlarını büyük ölçüde azaltabilir ve enerji yoğunluğu iyileştirmesi için "cam tavanı" kırma potansiyeline sahiptir. Ancak, yaygın elektrot malzemeleri de katıdır. İki katı arasındaki temasın, katı ve sıvı arasındaki temas kadar yakın olması neredeyse imkansız olduğundan, şu anda katı elektrolit bazlı piller genellikle zayıf elektrot-elektrolit teması ve yetersiz tam hücre performansları sergilemektedir.
Çalışmanın baş yazarı USTC'den Prof. MA Cheng, "Katı hal pillerinin elektrot-elektrolit teması sorunu, bir tahta fıçıdaki en kısa çıtaya benziyor," dedi. "Aslında, araştırmacılar bu yıllar boyunca birçok mükemmel elektrot ve katı elektrolit geliştirdiler, ancak aralarındaki zayıf temas, Li-iyon iletiminin verimliliğini hâlâ sınırlıyor."
Neyse ki, MA'nın stratejisi bu zorlu zorluğun üstesinden gelebilir. Çalışma, prototip bir perovskit yapılı katı elektrolitteki bir safsızlık fazının atom atom incelenmesiyle başladı. Safsızlık ve katı elektrolit arasındaki kristal yapı büyük ölçüde farklılık gösterse de, epitaksiyel arayüzler oluşturdukları gözlemlendi. Bir dizi ayrıntılı yapısal ve kimyasal analizden sonra, araştırmacılar safsızlık fazının yüksek kapasiteli Li açısından zengin katmanlı elektrotlarla izostrüktürel olduğunu keşfettiler. Yani, prototip bir katı elektrolit, yüksek performanslı bir elektrodun atomik iskeleti tarafından oluşturulan "şablon" üzerinde kristalleşebilir ve bu da atomik olarak yakın arayüzler oluşturabilir.
"Bu gerçekten şaşırtıcı," dedi şu anda USTC'de lisansüstü öğrencisi olan ilk yazar LI Fuzhen. "Malzemedeki safsızlıkların varlığı aslında çok yaygın bir olgudur, o kadar yaygındır ki çoğu zaman göz ardı edilir. Ancak, bunlara yakından baktıktan sonra bu beklenmedik epitaksiyel davranışı keşfettik ve bu, katı-katı temasını iyileştirme stratejimize doğrudan ilham verdi."
Araştırmacıların önerdiği strateji, yaygın olarak benimsenen soğuk presleme yaklaşımıyla karşılaştırıldığında, atomik ölçekte katı elektrolitler ve elektrotlar arasında eksiksiz ve kesintisiz bir temas sağlayabilir; bu durum atomik çözünürlüklü elektron mikroskobu görüntüsünde yansıtılmıştır. (MA ekibi tarafından sağlanmıştır.)
Gözlemlenen olgudan yararlanan araştırmacılar, perovskit yapılı katı elektrolit ile aynı bileşime sahip amorf tozu, Li açısından zengin katmanlı bir bileşiğin yüzeyinde kasıtlı olarak kristalleştirdiler ve bu iki katı malzeme arasında kompozit bir elektrotta kusursuz ve kusursuz bir temas sağlamayı başardılar. Elektrot-elektrolit temas sorunu ele alındığında, böyle bir katı-katı kompozit elektrot, katı-sıvı kompozit elektrotla karşılaştırılabilir bir hız kapasitesi sağladı. Daha da önemlisi, araştırmacılar bu tür epitaksiyel katı-katı temasın büyük kafes uyumsuzluklarını tolere edebileceğini ve dolayısıyla önerdikleri stratejinin diğer birçok perovskit katı elektrolit ve katmanlı elektrot için de geçerli olabileceğini buldular.
MA, "Bu çalışma, takip edilmeye değer bir yönü ortaya koydu," dedi. "Burada ortaya atılan ilkenin diğer önemli malzemelere uygulanması, daha iyi hücre performanslarına ve daha ilginç bilime yol açabilir. Bunu dört gözle bekliyoruz."
Araştırmacılar bu yöndeki araştırmalarını sürdürmeyi ve önerilen stratejiyi diğer yüksek kapasiteli, yüksek potansiyelli katotlara uygulamayı planlıyorlar.
Çalışma, Cell Press'in amiral gemisi dergisi Matter'da "Li Piller için Katı Elektrolitler ve Elektrotlar Arasında Atomik Yakın Temas" başlığıyla yayınlandı. Çalışmanın ilk yazarı, USTC lisansüstü öğrencisi LI Fuzhen. Prof. MA Cheng'in işbirlikçileri arasında Tsinghua Üniversitesi'nden Prof. NAN Ce-Wen ve Ames Laboratuvarı'ndan Dr. ZHOU Lin yer alıyor.
(Kimya ve Malzeme Bilimleri Fakültesi)
Makale bağlantısı: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Gönderi zamanı: 03-06-2019