Nedávno tím profesora Zhanga Qianga z Katedry chemického inžinierstva na univerzite Tsinghua zverejnil výsledky výskumu návrhu štruktúry rozhrania objem/povrch katódových materiálov na báze mangánu bohatých na lítium pre celokovové lítiové batérie v pevnom stave. Navrhli in-situ stratégiu regulácie hromadnej / povrchovej štruktúry rozhrania, skonštruovali rýchlu a stabilnú Li + / e-cestu a podporili praktickú aplikáciu katódových materiálov na báze mangánu bohatých na lítium v lítiových batériách v pevnom stave.
Batérie zohrávajú dôležitú úlohu v modernej energetickej oblasti a dosiahli veľký úspech v prenosných elektronických zariadeniach, elektrických vozidlách a aplikáciách na ukladanie energie v sieťovej mierke. Pri zlepšovaní energetickej hustoty batérií je však kľúčom zaistenie bezpečnosti batérií. S rýchlym rastom dopytu po zlepšení hustoty energie batérií sa tradičná technológia lítium-iónových batérií, ktorá sa spolieha na tradičné katódové materiály a organické elektrolyty, stretávala s technickými prekážkami v dlhodobej stabilite cyklu, širokom rozsahu teplôt a bezpečnosti. V porovnaní s tradičnými lítium-iónovými batériami môžu polovodičové lítiové batérie prekonať vyššiu hranicu hustoty energie. Vďaka svojej vynikajúcej hustote energie a bezpečnostným vlastnostiam sa stal tiež najsľubnejšou technológiou batérií novej generácie. Napriek tomu klasické katódové materiály v súčasnosti nedokážu spĺňať požiadavky na vysokú hustotu energie a bezpečnosť, aké majú celopevné lítiové batérie. Katódové materiály na báze mangánu bohaté na lítium sa stali najsľubnejšími katódovými materiálmi pre pevné lítiové batérie vďaka ich špecifickej kapacite vybíjania 250 mAh/g alebo rovnajúcej sa 250 mAh/g, hustota energie 1 000 Wh/kg alebo viac a nízky obsah Co a Ni.
Avšak v dôsledku nízkej elektronickej vodivosti a zjavnej ireverzibilnej redoxnej reakcie je štruktúra rozhrania vážne degradovaná, čo zhoršuje kinetické správanie katódových materiálov na báze mangánu bohatých na lítium počas nabíjania a vybíjania. Fenomén úniku kyslíka zhoršuje toto správanie pri poruche rozhrania, čo vedie k oxidačnému rozkladu elektrolytu, čo zase ničí stabilitu rozhrania medzi katódovými materiálmi na báze mangánu bohatými na lítium a elektrolytmi.
Vybudovanie a udržiavanie stabilnej Li+ a e-transportnej cesty pre batériu v prevádzkovom stave je predpokladom pre podporu dlhého cyklu celosolid-state batérií v praktických podmienkach. Výskumný tím môže vytvoriť stabilnú a rýchlu Li+/e-cestu in situ na rozhraní katódový materiál/pevný elektrolyt úpravou štruktúry rozhrania objem/povrch a inovatívneho dizajnu, podporuje redoxnú reakčnú aktivitu aniónového kyslíka a zvyšuje reverzibilitu redoxná reakcia aniónového kyslíka na povrchu katódového materiálu úplne tuhej lítiovej batérie pri izbovej teplote, čím sa stabilizuje vysokonapäťové rozhranie tuhá látka-pevná látka.
Obrázok 1. Schematický diagram modifikácie štruktúry rozhrania objem / povrchová štruktúra katódových materiálov bohatých na lítium na báze mangánu
Táto štúdia navrhla jednostupňovú stratégiu syntézy na optimalizáciu štruktúry rozhrania objemu/povrchu katódových materiálov na báze mangánu bohatého na lítium a vytvorila katódový materiál bohatý na lítium na báze mangánu (5W&LRMO) s objemovo zabudovanou štruktúrou, W doping a Povrchová úprava Li2WO4. Táto štruktúra zvyšuje objemovú štrukturálnu stabilitu katódových materiálov na báze mangánu bohatých na lítium, zlepšuje kinetiku prenosu Li + / e- a výrazne zvyšuje redoxnú aktivitu katiónov prechodných kovov a aniónového kyslíka. Dosahuje sa kompenzácia náboja aniónových kyslíkových redoxných reakcií počas procesu nabíjania a vybíjania, čím sa podporuje reverzibilita redoxných reakcií kyslíkových iónov na povrchu katódových materiálov na báze mangánu bohatých na lítium a stabilizuje sa vysokonapäťové rozhranie tuhá látka-pevná látka. Optimalizované rozhranie zaisťuje stabilitu nabíjania a vybíjania v rozsahu vysokého napätia a udržiava efektívnu kinetiku prenosu Li+/e počas dlhého cyklu, čím zlepšuje mieru využitia aktívnych látok v kompozitnom katódovom materiáli.
Obrázok 2. Vývoj kinetiky medzifázového transportu Li+ katódových materiálov bohatých na lítium na báze mangánu počas prvého nabíjacieho a vybíjacieho procesu
Táto štúdia odhalila proces vývoja impedancie rozhrania medzi katódou na báze mangánu bohatou na lítium a elektrolytom testovaním in-situ impedančnej spektroskopie (EIS) v kombinácii s analýzou relaxačného času (DRT). Navrhovaná metóda umožňuje vizualizáciu procesu vývoja rozhrania počas prvého nabíjania a vybíjania a procesu dlhého cyklu. Štúdia hlboko chápe vývoj štruktúry rozhrania medzi katódovým materiálom na báze mangánu bohatým na lítium a elektrolytom pred a po modifikácii. Zistilo sa, že katódový materiál bohatý na lítium na báze mangánu pred modifikáciou vykazuje ireverzibilnú aniónovú kyslíkovú redoxnú reakciu pri vysokom napätí, ďalej oxiduje rozhranie katódy a elektrolytu, čo vedie k výraznému zvýšeniu impedancie a bráni medzifázovému prenosu Li+. Na rozdiel od toho, modifikovaný katódový materiál na báze mangánu bohatý na lítium vykazuje stabilnú/rýchlu kinetiku difúzie Li+, najmä pri vysokom napätí 4,6 V, čím sa minimalizuje zmena hodnoty medzifázového impedancie. Preto je rýchlejší a stabilnejší medzifázový prenos Li+ podporovaný zlepšením reverzibility aniónovej kyslíkovej redoxnej reakcie. Pre kompozitné katódové materiály je jednoduchšie dosiahnuť priemyselné aplikácie s povrchovou kapacitou ~3 mAh/cm2 alebo ešte vyššou. Pri 25 stupňoch je povrchová kapacita vysokoplošného katódového materiálu 5W&LRMO pri rýchlosti 0.2C približne 2,5 mAh/cm2 a miera zachovania kapacity je 88,1 % po 100 cykloch; pri vysokej rýchlosti 1 C vykazuje stabilitu ultra dlhého cyklu s mierou zachovania kapacity 84,1 % po 1200 cykloch. Výskum poskytuje nový spôsob, ako navrhnúť štruktúru hromadného / povrchového rozhrania katódových materiálov bohatých na lítium na báze mangánu a efektívny spôsob, ako zlepšiť hustotu energie lítiových batérií v tuhom stave.
1. októbra boli príslušné výsledky výskumu publikované v časopise Journal of the American Chemical Society pod názvom „Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries“.
TOB NOVÁ ENERGIAposkytuje kompletnú saduriešenia s pevnými batériamivrátanemateriály pevných batérií, zariadenie s polovodičovou batériou avýrobná linka pevných batériíriešenia.
