Baru-baru ini, pasukan Profesor Zhang Qiang dari Jabatan Kejuruteraan Kimia di Universiti Tsinghua menerbitkan hasil penyelidikan mengenai reka bentuk struktur antara muka pukal/permukaan bahan katod berasaskan mangan yang kaya litium untuk bateri litium logam keadaan pepejal. Mereka mencadangkan strategi pengawalseliaan struktur antara muka pukal/permukaan in-situ, membina laluan Li+/e− yang pantas dan stabil, dan menggalakkan penggunaan praktikal bahan katod berasaskan mangan yang kaya litium dalam bateri litium semua keadaan pepejal.
Bateri memainkan peranan penting dalam bidang tenaga moden dan telah mencapai kejayaan besar dalam peranti elektronik mudah alih, kenderaan elektrik dan aplikasi storan tenaga skala grid. Walau bagaimanapun, semasa meningkatkan ketumpatan tenaga bateri, memastikan keselamatan bateri adalah kuncinya. Dengan pertumbuhan pesat permintaan untuk meningkatkan ketumpatan tenaga bateri, teknologi bateri litium-ion tradisional yang bergantung pada bahan katod tradisional dan elektrolit organik telah menghadapi kesesakan teknikal dalam kestabilan kitaran jangka panjang, julat suhu yang luas dan keselamatan. Berbanding dengan bateri litium-ion tradisional, bateri litium semua keadaan pepejal boleh menembusi had ketumpatan tenaga yang lebih tinggi. Oleh kerana ketumpatan tenaga dan ciri keselamatan yang sangat baik, ia juga telah menjadi teknologi bateri generasi akan datang yang paling menjanjikan. Walaupun begitu, bahan katod klasik pada masa ini tidak dapat memenuhi ketumpatan tenaga tinggi dan keperluan keselamatan bateri litium semua keadaan pepejal. Bahan katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium telah menjadi bahan katod yang paling menjanjikan untuk bateri litium semua keadaan pepejal kerana kapasiti khusus nyahcasnya Lebih daripada atau sama dengan 250 mAh/g, ketumpatan tenaga Lebih daripada atau sama dengan 1000 Wh/kg , dan kandungan Co dan Ni yang rendah.
Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kekonduksian elektronik yang rendah dan tindak balas redoks tidak dapat dipulihkan yang jelas, struktur antara muka sangat terdegradasi, yang menjadikan tingkah laku kinetik bahan katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium semasa pengecasan dan nyahcas terjejas. Fenomena pelarian oksigen memburukkan lagi tingkah laku kegagalan antara muka ini, yang membawa kepada penguraian oksidatif elektrolit, yang seterusnya memusnahkan kestabilan antara muka antara bahan katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium dan elektrolit.
Membina dan mengekalkan laluan pengangkutan Li+ dan e−yang stabil untuk bateri dalam keadaan berfungsi adalah prasyarat untuk menggalakkan kitaran panjang bateri keadaan pepejal di bawah keadaan praktikal. Pasukan penyelidik boleh membina laluan Li+/e− in situ yang stabil dan pantas pada bahan katod/antara muka elektrolit pepejal dengan melaraskan struktur antara muka pukal/permukaan dan reka bentuk yang inovatif, menggalakkan aktiviti tindak balas redoks oksigen anionik, dan meningkatkan kebolehterbalikan tindak balas redoks oksigen anionik pada permukaan bahan katod bateri litium semua keadaan pepejal pada suhu bilik, dengan itu menstabilkan antara muka pepejal voltan tinggi.
Rajah 1. Gambar rajah skema pengubahsuaian strategi reka bentuk struktur antara muka pukal/permukaan bahan katod berasaskan mangan kaya litium
Kajian ini mencadangkan strategi sintesis satu langkah untuk mengoptimumkan struktur antara muka pukal/permukaan bahan katod berasaskan mangan kaya litium, dan mencipta bahan katod berasaskan mangan yang kaya litium (5W&LRMO) dengan struktur tertanam pukal, doping W dan Salutan permukaan Li2WO4. Struktur ini meningkatkan kestabilan struktur pukal bahan katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium, meningkatkan kinetik pemindahan Li+/e−, dan dengan ketara meningkatkan aktiviti redoks kation logam peralihan dan oksigen anionik. Pampasan caj tindak balas redoks oksigen anionik semasa proses cas dan nyahcas dicapai, dengan itu menggalakkan keterbalikan tindak balas redoks ion oksigen pada permukaan bahan katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium dan menstabilkan antara muka pepejal voltan tinggi. Antara muka yang dioptimumkan memastikan kestabilan cas dan nyahcas dalam julat voltan tinggi dan mengekalkan kinetik pemindahan Li+/e− yang cekap dalam tempoh kitaran yang panjang, dengan itu meningkatkan kadar penggunaan bahan aktif dalam bahan katod komposit.
Rajah 2. Evolusi kinetik pengangkutan Li+ antara muka bahan katod berasaskan mangan kaya litium semasa proses cas dan nyahcas pertama
Kajian ini mendedahkan proses evolusi impedans antara muka antara katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium dan elektrolit melalui ujian spektroskopi impedans in-situ (EIS) digabungkan dengan analisis masa kelonggaran (DRT). Kaedah yang dicadangkan membolehkan visualisasi proses evolusi antara muka semasa pengecasan dan nyahcas pertama dan proses kitaran panjang. Kajian ini amat memahami evolusi struktur antara muka antara bahan katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium dan elektrolit sebelum dan selepas pengubahsuaian. Didapati bahawa bahan katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium sebelum pengubahsuaian mempamerkan tindak balas redoks oksigen anion tidak dapat dipulihkan pada voltan tinggi, seterusnya mengoksidakan antara muka katod dan elektrolit, mengakibatkan peningkatan yang ketara dalam impedans dan menghalang penghantaran Li+ antara muka. Sebaliknya, bahan katod berasaskan mangan kaya litium yang diubah suai mempamerkan kinetik resapan Li+ yang stabil/pantas, terutamanya pada voltan tinggi 4.6 V, meminimumkan perubahan dalam nilai impedans antara muka. Oleh itu, penghantaran Li+ antara muka yang lebih cepat dan lebih stabil digalakkan dengan meningkatkan keterbalikan tindak balas redoks oksigen anion. Lebih mudah untuk bahan katod komposit mencapai aplikasi gred industri dengan kapasiti permukaan ~3 mAh/cm2 atau lebih tinggi. Pada 25 darjah , kapasiti permukaan bahan katod 5W&LRMO beban kawasan tinggi pada 0.2 Kadar C ialah kira-kira 2.5 mAh/cm2 dan kadar pengekalan kapasiti ialah 88.1% selepas 100 kitaran; pada kadar tinggi 1 C, ia menunjukkan kestabilan kitaran ultra panjang, dengan kadar pengekalan kapasiti 84.1% selepas 1200 kitaran. Penyelidikan ini menyediakan cara baharu untuk mereka bentuk struktur antara muka pukal/permukaan bahan katod berasaskan mangan yang kaya dengan litium dan cara yang berkesan untuk meningkatkan ketumpatan tenaga bagi bateri litium semua keadaan pepejal.
Pada 1 Oktober, hasil penyelidikan yang berkaitan telah diterbitkan dalam Journal of the American Chemical Society di bawah tajuk "Reka Bentuk Struktur Pukal/Antaramuka Katod Berasaskan Li-Rich Mn untuk Bateri Litium Semua Keadaan Pepejal".
TOB TENAGA BARUmenyediakan satu set lengkappenyelesaian bateri keadaan pepejal, termasukbahan bateri keadaan pepejal, peralatan bateri keadaan pepejal, danbarisan pengeluaran bateri keadaan pepejalpenyelesaian.
