Þann 21. ágúst lögðu prófessor MA Cheng frá vísinda- og tækniháskóla Kína (USTC) og samstarfsmenn hans til árangursríka aðferð til að takast á við vandamálið með snertingu rafskauts og rafvökva sem takmarkar þróun næstu kynslóðar litíum-föstra rafhlöðu. Samsetta rafskautið sem búið var til á þennan hátt sýndi einstaka afköst og hraða.
Að skipta út lífrænum fljótandi rafvökva í hefðbundnum litíum-jón rafhlöðum fyrir fast rafvökva getur dregið verulega úr öryggisvandamálum og hugsanlega brotið „glerþakið“ hvað varðar aukningu á orkuþéttleika. Hins vegar eru hefðbundin rafskautsefni einnig föst efni. Þar sem snerting milli tveggja föstra efna er nánast ómöguleg að vera eins náin og milli fasts og vökva, sýna rafhlöður sem byggjast á föstum rafvökva nú yfirleitt lélega snertingu milli rafskauts og rafvökva og ófullnægjandi afköst í heildarfrumu.
„Snerting rafskauts og raflausna í föstum rafhlöðum er nokkuð eins og stysta stöngin í trétunnu,“ sagði prófessor MA Cheng frá USTC, aðalhöfundur rannsóknarinnar. „Reyndar hafa vísindamenn á þessum árum þróað margar framúrskarandi rafskauts- og föst raflausnir, en léleg snerting milli þeirra takmarkar enn skilvirkni flutnings litíumjóna.“
Sem betur fer gæti stefna MA sigrast á þessari miklu áskorun. Rannsóknin hófst með atóm-fyrir-atóm rannsókn á óhreinindafasa í frumgerð af perovskít-uppbyggðum föstum raflausn. Þótt kristallabyggingin væri mjög ólík milli óhreininda og fasta raflausnarinnar, kom í ljós að þær mynduðu epitaxial tengifleti. Eftir röð ítarlegra byggingar- og efnafræðilegra greininga komust vísindamenn að því að óhreinindafasinn er jafnbyggingarlegur með afkastamikilli litíumríkri lagskiptri rafsíðum. Það er að segja, frumgerð af föstum raflausn getur kristallað á „sniðmátinu“ sem myndast af atómgrind afkastamikillar rafsíðar, sem leiðir til atómlega náinna tengifleta.
„Þetta kemur sannarlega á óvart,“ sagði fyrsti höfundurinn LI Fuzhen, sem er nú framhaldsnemi við USTC. „Óhreinindi í efninu eru í raun mjög algeng, svo algeng að þau eru oftast hunsuð. Hins vegar, eftir að hafa skoðað þau náið, uppgötvuðum við þessa óvæntu hegðun í gegnum efnið og hún varð okkur beint innblástur til að bæta snertingu fastra efna.“
Í samanburði við algengar kaldpressunaraðferðir getur sú aðferð sem vísindamennirnir leggja til náð fram ítarlegri og óaðfinnanlegri snertingu milli fastra rafvaka og rafskauta á frumeindastigi, eins og sést á rafeindasmásjármyndinni í frumeindaupplausn. (Veitt af teymi MA.)
Með því að nýta sér þetta fyrirbæri kristallaði vísindamennirnir af ásettu ráði ókristallað duft með sömu samsetningu og perovskít-uppbyggða fasta raflausnin á yfirborði litíumríks lagskipts efnasambands og náðu með góðum árangri að ná fram ítarlegri og samfelldri snertingu milli þessara tveggja föstu efna í samsettri rafskautsblöndu. Þegar vandamálið með snertingu rafskauts og raflausnar var tekið á, skilaði slík fast-fast samsett rafskautsgetu sem var jafnvel sambærileg við getu fast-fljótandi samsetts rafskauts. Mikilvægara er að vísindamennirnir komust einnig að því að þessi tegund af epitaxial fast-fast snertingu getur þolað stór grindarmisræmi og því gæti stefnan sem þeir lögðu til einnig átt við um margar aðrar perovskít fastar raflausnir og lagskiptar rafskautsblöndur.
„Þessi vinna benti á stefnu sem vert er að fylgja,“ sagði MA. „Að beita þeirri meginreglu sem hér er sett fram á önnur mikilvæg efni gæti leitt til enn betri afkösta frumna og áhugaverðari vísinda. Við hlökkum til þess.“
Rannsakendurnir hyggjast halda áfram rannsóknum sínum í þessa átt og beita fyrirhugaðri aðferð á aðrar katóður með mikla afköst og mikla möguleika.
Rannsóknin var birt í Matter, flaggskipstímaritinu Cell Press, undir heitinu „Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries“. Fyrsti höfundur rannsóknarinnar er LI Fuzhen, framhaldsnemi við USTC. Samstarfsaðilar prófessors MA Cheng eru meðal annars prófessor NAN Ce-Wen frá Tsinghua-háskóla og Dr. ZHOU Lin frá Ames-rannsóknarstofunni.
(Efnafræði- og efnisfræðideild)
Tengill á greinina: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Birtingartími: 3. júní 2019