Überwindung des Engpasses von Festelektrolyten für Li-Batterien
Chinesische Wissenschaftler entwickelten eine Atom-zu-Atom-Strategie
MA Cheng von der University of Science and Technology of China (USTC) und seine Mitarbeiter schlugen eine effektive Strategie vor, um das Problem des Elektroden-Elektrolyt-Kontaktes anzugehen, das die Entwicklung von Li-Festkörperbatterien der nächsten Generation begrenzt. Die so entstandene Fest-Feststoff-Verbundelektrode zeigte außergewöhnliche Kapazitäten und Ratenleistungen.
Compared to the commonly adopted cold-pressing approach, the strategy proposed by the researchers can realize a thorough, seamless contact between solid electrolytes and electrodes at the atomic scale, as reflected in the atomic-resolution electron microscopy image.
Provided by MA's team
Der Austausch des organischen Flüssigelektrolyten in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien durch Festelektrolyte kann die Sicherheitsprobleme erheblich lindern und die "Glasdecke" zur Verbesserung der Energiedichte durchbrechen. Aber auch herkömmliche Elektrodenmaterialien sind Feststoffe. Da der Kontakt zwischen zwei Festkörpern nahezu unmöglich ist, so eng zu sein wie der zwischen Feststoff und Flüssigkeit, weisen die auf Festelektrolyten basierenden Batterien derzeit typischerweise einen schlechten Elektroden-Elektrolyt-Kontakt und unbefriedigende Vollzellenleistungen auf.
"Das Problem des Elektroden-Elektrolytkontakts von Festkörperbatterien ist so etwas wie der kürzeste Stab eines Holzfasses", sagt Prof. MA Cheng von der USTC, dem Hauptautor der Studie. "Eigentlich haben die Forscher in diesen Jahren bereits viele ausgezeichnete Elektroden und Festelektrolyte entwickelt, aber der schlechte Kontakt zwischen ihnen schränkt die Effizienz des Lithium-Ionen-Transports immer noch ein."
Glücklicherweise kann die Strategie von MA diese gewaltige Herausforderung überwinden. Die Studie begann mit der atomweisen Untersuchung einer Verunreinigungsphase in einem prototypischen, perovskitstrukturierten Festelektrolyten. Obwohl sich die Kristallstruktur zwischen der Verunreinigung und dem Festelektrolyten stark unterschied, wurden sie beobachtet, um epitaktische Grenzflächen zu bilden. Nach einer Reihe detaillierter struktureller und chemischer Analysen fanden die Forscher heraus, dass die Verunreinigungsphase mit den hochleistungsfähigen Li-Reich-Schichtelektroden isostruktural ist. Das heißt, ein Prototyp-Festelektrolyt kann auf der "Schablone" kristallisieren, die durch das atomare Gerüst einer Hochleistungselektrode gebildet wird, was zu atomar intimen Schnittstellen führt.
"Das ist wirklich eine Überraschung", sagte der Erstautor LI Fuzhen, der derzeit Doktorand der USTC ist. "Das Vorhandensein von Verunreinigungen im Material ist eigentlich ein sehr häufiges Phänomen, so häufig, dass sie meistens ignoriert werden. Nach genauerer Betrachtung entdeckten wir jedoch dieses unerwartete epitaktische Verhalten, das unsere Strategie zur Verbesserung des Fest-Festkörperkontaktes direkt inspirierte."
Unter Ausnutzung des beobachteten Phänomens kristallisierten die Forscher absichtlich das amorphe Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie der perovskitstrukturierte Festelektrolyt auf der Oberfläche einer leicht-reichen Schichtverbindung und realisierten erfolgreich einen gründlichen, nahtlosen Kontakt zwischen diesen beiden festen Materialien in einer Verbundelektrode. Mit dem angesprochenen Problem des Elektroden-Elektrolyt-Kontakts lieferte eine solche Fest-Fest-Verbundelektrode eine Geschwindigkeit, die sogar mit der einer Fest-Flüssig-Verbundelektrode vergleichbar ist. Noch wichtiger ist, dass die Forscher auch fanden, dass diese Art von epitaktischem Fest-Feststoff-Kontakt große Gitter-Fehlanpassungen tolerieren kann, und so könnte die von ihnen vorgeschlagene Strategie auch auf viele andere Perowskit-Festelektrolyte und geschichtete Elektroden anwendbar sein.
"Diese Arbeit zeigte eine Richtung auf, die es wert ist, verfolgt zu werden", sagte MA. "Die Anwendung des hier aufgeworfenen Prinzips auf andere wichtige Materialien könnte zu noch besseren Zellleistungen und interessanterer Wissenschaft führen. Wir freuen uns darauf."
Die Forscher wollen ihre Exploration in diese Richtung fortsetzen und die vorgeschlagene Strategie auf andere leistungsstarke, potenzialstarke Kathoden anwenden.
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