Oxidationstoleranter Festelektrolyt bietet hohe Energiekapazität für Li2S-Kathode
Mit der Entwicklung einer Lithiumsulfidkathode, die einen festen Elektrolyten mit hoher Zersetzungsbeständigkeit enthält, rücken Festkörperbatterien in greifbare Nähe
Jüngste Fortschritte bei den Materialien, die seit den 1980er Jahren an der Universität der Präfektur Osaka (OPU) entwickelt werden, bringen Festkörperbatterien (ASSBs) der Realität einen Schritt näher.
Die Oxidationsanfangsspannungen (OOVs) verschiedener Festelektrolyte (SEs) wurden für Festkörper-Li/S-Batterien mit Li2S als hochkapazitivem Aktivmaterial bestimmt. Die OOVs von SEs müssen die von Li2S um mehr als 0,2 V übersteigen, um eine hohe Kapazität zu erreichen. Die entwickelten Elektroden mit Li2S und pseudobinären Li-Oxysäure-Salzen erreichten hohe Flächenkapazitäten in Festkörperbatterien.
A. Sakuda, OSAKA PREFECTURE UNIVERSITY
ASSBs verwenden einen Festelektrolyten (SE), der die energieerzeugenden Teile (Kathoden und Anoden) trennt, und haben als sicherere, energie- und leistungsstärkere Alternative zu den brennbaren Flüssig- oder Gelelektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien Aufmerksamkeit erregt. Ein großes Problem besteht jedoch darin, mit ASSB Energiedichten zu erreichen, die mit denen von Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar sind und diese möglicherweise sogar übertreffen.
In früheren Arbeiten am OPU wurden ASSBs mit einer Kathode aus einer festen Lösung von Lithiumsulfid (Li2S) und Lithiumiodid hergestellt, und es wurde festgestellt, dass das Lithiumiodid während des Ladens und Entladens als Ionenleitweg im Li2S fungiert. Dies führte zu einer höheren Energiekapazität der Batterie, was darauf hindeutet, dass der Schlüssel zur Erhöhung der Kapazität in der Beschaffenheit des Lithiumjodid-Leiters liegt.
Das Team wollte diese Beziehung erforschen, indem es sich auf das elektrochemische Fenster von SEs konzentrierte - etwas, das in früheren Berechnungen überschätzt worden war.
"Das Verständnis des praktischen elektrochemischen Fensters von SE für Kathoden und Anoden würde die Konstruktion effizienterer aktiver Material-SE-Grenzflächen ermöglichen und damit die künftige Forschung zur Erhöhung der Energiedichte von ASSB unterstützen", erklärt Professor Akitoshi Hayashi.
Prof. Hayashi und ein Forschungsteam der Abteilung für Angewandte Chemie der OPU Graduate School of Engineering untersuchten die Oxidationsanfangsspannungen (OOVs) von SEs mit Hilfe der linearen Sweep-Voltammetrie. Sie fanden heraus, dass die OOVs von SEs, die in ASSBs mit positiven Li2S-Elektroden verwendet werden, die von Li2S um 0,2 V übersteigen müssen, um eine hohe Energiekapazität zu erreichen.
"Die Suche nach einem akzeptablen elektrochemischen Fenster für Ladungen mit hoher Kapazität ist nur die halbe Lösung", erklärt Associate Professor Atsushi Sakuda. "Der nächste Schritt bestand darin, die gesamte Energie zu entladen, was von der ionischen Leitfähigkeit des SE abhing.
Hier untersuchte das Team die Oxidationsstabilität verschiedener Lithiumsalze und stellte fest, dass die Nanokomposit-Elektrode aus Li2S und pseudobinären Li-Oxysäure-Salzen, die 1987 von Masahiro Tatsumisago, dem heutigen Präsidenten der Universität, entdeckt worden war, die beste Leistung in den berichteten Li2S-Festkörperbatterien zeigte. "Wir haben eine Nanokomposit-Kathode auf Li2S-Basis mit einem SE entwickelt, das sowohl eine Resistenz gegen elektrochemische Zersetzung als auch eine relativ hohe Ionenleitfähigkeit aufweist", erklärt Dr. Takashi Hakari.
Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten es dem Team, eine Nanokomposit-Kathode auf Li2S-Basis mit hoher Kapazität unter Verwendung eines oxidationsbeständigen Festelektrolyten herzustellen. Der nächste Schritt für das Forschungsteam besteht darin, diese Kreation in eine Lithium-Schwefel-Batterie in festem Zustand zu verwandeln, die eine doppelt so hohe Energiedichte wie eine Lithium-Ionen-Batterie aufweist.
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