در ۲۱ آگوست، پروفسور ام.ای. چنگ از دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) و همکارانش یک استراتژی مؤثر برای رسیدگی به مشکل تماس الکترود-الکترولیت که توسعه باتری‌های لیتیوم-یونی حالت جامد نسل بعدی را محدود می‌کند، ارائه دادند. الکترود کامپوزیت جامد-جامد ایجاد شده به این روش، ظرفیت‌ها و عملکرد سرعت فوق‌العاده‌ای را نشان داد.
جایگزینی الکترولیت مایع آلی در باتری‌های لیتیوم-یونی معمولی با الکترولیت‌های جامد می‌تواند تا حد زیادی مشکلات ایمنی را کاهش دهد و به طور بالقوه «سقف شیشه‌ای» را برای بهبود چگالی انرژی بشکند. با این حال، مواد الکترود رایج نیز جامد هستند. از آنجایی که تماس بین دو جامد تقریباً غیرممکن است که به اندازه تماس بین جامد و مایع نزدیک باشد، در حال حاضر باتری‌های مبتنی بر الکترولیت‌های جامد معمولاً تماس ضعیف الکترود-الکترولیت و عملکرد نامطلوبی در سلول کامل از خود نشان می‌دهند.
پروفسور ام. ای. چنگ از دانشگاه فناوری ماساچوست (USTC)، نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: «مشکل تماس الکترود-الکترولیت در باتری‌های حالت جامد تا حدودی شبیه به کوتاه‌ترین چوب یک بشکه چوبی است. در واقع، در طول این سال‌ها، محققان الکترودها و الکترولیت‌های جامد بسیار خوبی را توسعه داده‌اند، اما تماس ضعیف بین آنها هنوز هم کارایی انتقال یون لیتیوم را محدود می‌کند.»
خوشبختانه، استراتژی MA ممکن است بر این چالش دشوار غلبه کند. این مطالعه با بررسی اتم به اتم یک فاز ناخالصی در یک نمونه اولیه، الکترولیت جامد با ساختار پروسکایت، آغاز شد. اگرچه ساختار کریستالی بین ناخالصی و الکترولیت جامد تفاوت زیادی داشت، اما مشاهده شد که آنها رابط‌های اپیتاکسی تشکیل می‌دهند. پس از یک سری تجزیه و تحلیل‌های ساختاری و شیمیایی دقیق، محققان کشف کردند که فاز ناخالصی با الکترودهای لایه‌ای غنی از لیتیوم با ظرفیت بالا، ایزوساختار است. به عبارت دیگر، یک الکترولیت جامد نمونه اولیه می‌تواند روی "الگویی" که توسط چارچوب اتمی یک الکترود با کارایی بالا تشکیل شده است، متبلور شود و در نتیجه رابط‌های اتمی نزدیکی ایجاد کند.
نویسنده اول مقاله، ال. آی. فوژن، که در حال حاضر دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه فناوری کالیفرنیا (USTC) است، گفت: «این واقعاً شگفت‌انگیز است. وجود ناخالصی‌ها در این ماده در واقع یک پدیده بسیار رایج است، آنقدر رایج که اغلب اوقات نادیده گرفته می‌شوند. با این حال، پس از بررسی دقیق آنها، این رفتار اپیتاکسیال غیرمنتظره را کشف کردیم و این مستقیماً الهام‌بخش استراتژی ما برای بهبود تماس جامد-جامد بود.»
در مقایسه با رویکرد پرس سرد که معمولاً اتخاذ می‌شود، استراتژی پیشنهادی محققان می‌تواند تماس کامل و یکپارچه‌ای بین الکترولیت‌های جامد و الکترودها در مقیاس اتمی ایجاد کند، همانطور که در تصویر میکروسکوپ الکترونی با وضوح اتمی منعکس شده است. (ارائه شده توسط تیم MA)
با بهره‌گیری از پدیده مشاهده‌شده، محققان عمداً پودر آمورف را با همان ترکیب الکترولیت جامد با ساختار پروسکایت روی سطح یک ترکیب لایه‌ای غنی از لیتیوم متبلور کردند و با موفقیت یک تماس کامل و بدون درز بین این دو ماده جامد را در یک الکترود کامپوزیتی محقق ساختند. با رفع مشکل تماس الکترود-الکترولیت، چنین الکترود کامپوزیتی جامد-جامد، قابلیت سرعتی حتی قابل مقایسه با الکترود کامپوزیتی جامد-مایع را ارائه داد. مهم‌تر از آن، محققان همچنین دریافتند که این نوع تماس جامد-جامد اپیتاکسیال ممکن است عدم تطابق‌های بزرگ شبکه را تحمل کند و بنابراین استراتژی پیشنهادی آنها می‌تواند برای بسیاری از الکترولیت‌های جامد پروسکایت و الکترودهای لایه‌ای دیگر نیز قابل اجرا باشد.
MA گفت: «این کار مسیری را نشان داد که ارزش دنبال کردن را دارد. اعمال اصل مطرح شده در اینجا به سایر مواد مهم می‌تواند منجر به عملکرد بهتر سلول و علم جالب‌تر شود. ما مشتاقانه منتظر آن هستیم.»
محققان قصد دارند اکتشافات خود را در این راستا ادامه دهند و استراتژی پیشنهادی را در مورد سایر کاتدهای با ظرفیت و پتانسیل بالا به کار گیرند.
این مطالعه در Matter، یکی از مجلات معتبر Cell Press، با عنوان «تماس نزدیک اتمی بین الکترولیت‌های جامد و الکترودها برای باتری‌های لیتیومی» منتشر شد. نویسنده اول این مقاله، لی فوژن، دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه فناوری ماساچوست (USTC) است. پروفسور نان سی-ون از دانشگاه تسینگهوا و دکتر ژو لین از آزمایشگاه ایمز از دیگر همکاران پروفسور چنگ هستند.
(دانشکده شیمی و علوم مواد)
لینک مقاله: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
زمان ارسال: ژوئن-03-2019