Nesen profesora Zhang Qiang komanda no Tsinghua Universitātes Ķīmiskās inženierijas katedras publicēja pētījumu rezultātus par litija bagātu mangānu saturošu katoda materiālu lielapjoma/virsmas saskarnes konstrukcijas, kas paredzētas pilnībā cietvielu metāla litija baterijām. Viņi ierosināja in situ lielapjoma / virsmas saskarnes struktūras regulēšanas stratēģiju, izveidoja ātru un stabilu Li + / e-ceļu un veicināja litija bagātu mangānu saturošu katoda materiālu praktisku pielietojumu visu cietvielu litija baterijās.
Baterijām ir būtiska nozīme mūsdienu enerģētikas jomā, un tās ir guvušas lielus panākumus portatīvo elektronisko ierīču, elektrisko transportlīdzekļu un tīkla mēroga enerģijas uzglabāšanas lietojumos. Tomēr, vienlaikus uzlabojot akumulatoru enerģijas blīvumu, galvenais ir nodrošināt akumulatoru drošību. Strauji pieaugot pieprasījumam uzlabot akumulatoru enerģijas blīvumu, tradicionālā litija jonu akumulatoru tehnoloģija, kas balstās uz tradicionālajiem katoda materiāliem un organiskajiem elektrolītiem, ir saskārusies ar tehniskām vājajām vietām ilgtermiņa cikla stabilitātē, plašā temperatūras diapazonā un drošībā. Salīdzinājumā ar tradicionālajām litija jonu baterijām, cietvielu litija baterijas var pārkāpt augstāku enerģijas blīvuma robežu. Pateicoties lieliskajam enerģijas blīvumam un drošības īpašībām, tas ir kļuvis arī par daudzsološāko nākamās paaudzes akumulatoru tehnoloģiju. Neraugoties uz to, klasiskie katoda materiāli pašlaik nevar izpildīt augstas enerģijas blīvuma un drošības prasības, kas attiecas uz visu cietvielu litija akumulatoriem. Ar litiju bagāti mangāna bāzes katoda materiāli ir kļuvuši par daudzsološākajiem katoda materiāliem pilnībā cietvielu litija akumulatoriem, ņemot vērā to izlādes īpatnējo kapacitāti, kas ir lielāka vai vienāda ar 250 mAh/g, enerģijas blīvums ir lielāks vai vienāds ar 1000 Wh/kg , un zems Co un Ni saturs.
Tomēr zemās elektroniskās vadītspējas un acīmredzamās neatgriezeniskās redoksreakcijas dēļ saskarnes struktūra ir stipri pasliktinājusies, kas traucē litiju saturošu mangānu saturošu katoda materiālu kinētiskā uzvedība uzlādes un izlādes laikā. Skābekļa izplūdes fenomens saasina šo saskarnes atteices uzvedību, izraisot elektrolīta oksidatīvo sadalīšanos, kas savukārt iznīcina saskarnes stabilitāti starp katoda materiāliem, kuru pamatā ir litijs, un elektrolītiem.
Stabila Li+ un e-transporta ceļa izveide un uzturēšana akumulatoram darba stāvoklī ir priekšnoteikums, lai praktiskos apstākļos veicinātu visu cietvielu akumulatoru ilgstošu ciklu. Pētnieku komanda var izveidot stabilu un ātru Li + / e-ceļu in situ katoda materiāla / cietā elektrolīta saskarnē, pielāgojot tilpuma / virsmas saskarnes struktūru un novatorisku dizainu, veicināt anjonu skābekļa redoksreakcijas aktivitāti un uzlabot skābekļa atgriezeniskumu. anjona skābekļa redoksreakcija uz visu cietvielu litija akumulatora katoda materiāla virsmas istabas temperatūrā, tādējādi stabilizējot augstsprieguma cietvielu un cietvielu saskarni.
1. attēls. Ar litiju bagātu mangānu saturošu katoda materiālu lielapjoma/virsmas saskarnes struktūras projektēšanas stratēģijas modifikācijas shematiskā diagramma
Šajā pētījumā tika ierosināta vienpakāpes sintēzes stratēģija, lai optimizētu ar litiju bagātu mangānu saturošu katoda materiālu tilpuma/virsmas saskarnes struktūru, un tika izveidots ar litiju bagāts mangāna bāzes katoda materiāls (5W&LRMO) ar lielapjoma iegultu struktūru, W dopingu un Li2WO4 virsmas pārklājums. Šī struktūra uzlabo ar litiju bagātu mangānu saturošu katoda materiālu strukturālo stabilitāti, uzlabo Li + / e− pārneses kinētiku un ievērojami uzlabo pārejas metālu katjonu un anjonu skābekļa redoksaktivitāti. Tiek panākta anjonu skābekļa redoksreakciju lādiņa kompensācija uzlādes un izlādes procesa laikā, tādējādi veicinot skābekļa jonu redoksreakciju atgriezeniskumu uz litiju saturošu mangānu saturošu katoda materiālu virsmas un stabilizējot augstsprieguma cietās un cietās vielas saskarni. Optimizētā saskarne nodrošina uzlādes un izlādes stabilitāti augstsprieguma diapazonā un uztur efektīvu Li+/e-transfer kinētiku ilgā cikla periodā, tādējādi uzlabojot aktīvo vielu izmantošanas ātrumu kompozītmateriāla katoda materiālā.
2. attēls. Ar litiju bagātu mangānu saturošu katoda materiālu saskarnes Li+ transportēšanas kinētikas attīstība pirmās uzlādes un izlādes procesā
Šis pētījums atklāja pretestības evolūcijas procesu saskarnē starp litiju bagātu mangānu saturošu katodu un elektrolītu, izmantojot in situ impedances spektroskopijas (EIS) testēšanu apvienojumā ar relaksācijas laika analīzi (DRT). Piedāvātā metode ļauj vizualizēt saskarnes evolūcijas procesu pirmās uzlādes un izlādes un ilga cikla laikā. Pētījums dziļi izprot saskarnes struktūras attīstību starp litija bagāto mangāna bāzes katoda materiālu un elektrolītu pirms un pēc modifikācijas. Konstatēts, ka ar litiju bagātais mangāna bāzes katoda materiāls pirms modifikācijas uzrāda neatgriezenisku anjonu skābekļa redoksreakciju pie augsta sprieguma, tālāk oksidējot katoda un elektrolīta saskarni, kā rezultātā ievērojami palielinās pretestība un tiek traucēta Li+ pārraide. Turpretim modificētajam ar litiju bagātajam mangāna bāzes katoda materiālam ir stabila / ātra Li + difūzijas kinētika, īpaši pie augsta 4, 6 V sprieguma, līdz minimumam samazinot saskarnes pretestības vērtības izmaiņas. Tāpēc ātrāka un stabilāka Li + saskarnes transmisija tiek veicināta, uzlabojot anjonu skābekļa redoksreakcijas atgriezeniskumu. Kompozītmateriāliem katoda materiāliem ir vieglāk sasniegt rūpnieciskus lietojumus ar virsmas jaudu ~ 3 mAh/cm2 vai pat lielāku. Pie 25 grādiem lielas slodzes 5W&LRMO katoda materiāla virsmas ietilpība ar ātrumu 0,2 C ir aptuveni 2,5 mAh/cm2, un jaudas saglabāšanas koeficients ir 88,1% pēc 100 cikliem; ar augstu ātrumu 1 C, tas uzrāda īpaši ilgu cikla stabilitāti ar jaudas saglabāšanas līmeni 84,1% pēc 1200 cikliem. Pētījums nodrošina jaunu veidu, kā veidot ar litiju bagātu mangānu saturošu katoda materiālu tilpuma/virsmas saskarnes struktūru un efektīvu veidu, kā uzlabot visu cietvielu litija akumulatoru enerģijas blīvumu.
1. oktobrī attiecīgie pētījumu rezultāti tika publicēti American Chemical Society žurnālā ar nosaukumu "Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes".
TOB JAUNA ENERĢIJAnodrošina pilnu komplektucietvielu akumulatoru risinājumi, ieskaitotcietvielu akumulatoru materiāli, cietvielu akumulatoru iekārtas uncietvielu akumulatoru ražošanas līnijarisinājumus.
