Nedavno je tim profesora Zhang Qiang-a sa Odsjeka za hemijsko inženjerstvo na Univerzitetu Tsinghua objavio rezultate istraživanja o dizajnu strukture sučelja na veliko/površinu katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijumom za potpuno metalne litijumske baterije u čvrstom stanju. Predložili su in-situ strategiju za regulaciju strukture sučelja na glomaznom/površinskom nivou, konstruisali brz i stabilan Li+/e-put i promovisali praktičnu primenu katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijumom u potpuno čvrstim litijumskim baterijama.
Baterije igraju vitalnu ulogu u modernom energetskom polju i postigle su veliki uspjeh u prijenosnim elektroničkim uređajima, električnim vozilima i aplikacijama za skladištenje energije u mreži. Međutim, dok se poboljšava gustoća energije baterija, ključ je osigurati sigurnost baterija. Uz brzi rast potražnje za poboljšanjem gustoće energije baterija, tradicionalna tehnologija litijum-jonskih baterija koja se oslanja na tradicionalne katodne materijale i organske elektrolite naišla je na tehnička uska grla u stabilnosti dugotrajnog ciklusa, širokom temperaturnom rasponu i sigurnosti. U poređenju sa tradicionalnim litijum-jonskim baterijama, litijumske baterije u čvrstom stanju mogu da probiju granicu veće gustine energije. Zbog svoje odlične gustine energije i sigurnosnih karakteristika, postao je i najperspektivnija tehnologija baterija sljedeće generacije. Unatoč tome, klasični katodni materijali trenutno ne mogu zadovoljiti zahtjeve visoke gustoće energije i sigurnosti potpuno čvrstih litijumskih baterija. Katodni materijali na bazi mangana bogati litijumom postali su najperspektivniji katodni materijali za potpuno čvrste litijumske baterije zbog svog specifičnog kapaciteta pražnjenja većeg ili jednakog 250 mAh/g, gustoće energije veće od ili jednako 1000 Wh/kg i nizak sadržaj Co i Ni.
Međutim, zbog niske elektronske provodljivosti i očigledne ireverzibilne redoks reakcije, struktura interfejsa je ozbiljno degradirana, zbog čega je kinetičko ponašanje katodnih materijala bogatih litijumom bogatih manganom tokom punjenja i pražnjenja narušeno. Fenomen istjecanja kisika pogoršava ovo ponašanje kvara međupovršine, što dovodi do oksidativne razgradnje elektrolita, što zauzvrat uništava stabilnost međudjelovanja između katodnih materijala na bazi mangana i elektrolita.
Izgradnja i održavanje stabilnog Li+ i e-transportnog puta za bateriju u radnom stanju je preduslov za promovisanje dugog ciklusa potpuno čvrstih baterija u praktičnim uslovima. Istraživački tim može da konstruiše stabilan i brz Li+/e-put in situ na interfejsu materijala katode/čvrsti elektrolit prilagođavanjem strukture sučelja zapremine/površine i inovativnog dizajna, promoviše redoks reakcijsku aktivnost anjonskog kiseonika i poboljša reverzibilnost redoks reakcija anjonskog kiseonika na površini katodnog materijala potpuno čvrste litijumske baterije na sobnoj temperaturi, čime se stabilizuje visokonaponsko sučelje čvrsto i čvrsto.
Slika 1. Šematski dijagram modifikacije strategije dizajna strukture sučelja u masi/površini katodnih materijala bogatih litijumom bogatih manganom
Ova studija je predložila strategiju sinteze u jednom koraku za optimizaciju strukture sučelja na veliko/površinu katodnih materijala na bazi litijuma bogatog manganom i stvorila katodni materijal na bazi mangana bogatog litijumom (5W&LRMO) sa bulk ugrađenom strukturom, W dopingom i Li2WO4 površinski premaz. Ova struktura poboljšava strukturnu stabilnost litijum-bogatih katodnih materijala na bazi mangana, poboljšava kinetiku prenosa Li+/e− i značajno povećava redoks aktivnost katjona prelaznih metala i anjonskog kiseonika. Postiže se kompenzacija naboja anjonskih redoks reakcija kisika tokom procesa punjenja i pražnjenja, čime se promoviše reverzibilnost redoks reakcija kisikovih jona na površini katodnih materijala bogatih litijumom na bazi mangana i stabilizira visokonaponsko sučelje čvrsto-čvrsto stanje. Optimizovani interfejs obezbeđuje stabilnost punjenja i pražnjenja u visokonaponskom opsegu i održava efikasnu kinetiku Li+/e-transfera tokom dugog perioda ciklusa, čime se poboljšava stepen iskorišćenja aktivnih supstanci u kompozitnom materijalu katode.
Slika 2. Evolucija međufazne kinetike Li+ transporta katodnih materijala bogatih litijumom na bazi mangana tokom prvog procesa punjenja i pražnjenja
Ova studija je otkrila proces evolucije impedanse na međuprostoru između katode bogate litijumom na bazi mangana i elektrolita ispitivanjem in situ impedansne spektroskopije (EIS) u kombinaciji sa analizom vremena relaksacije (DRT). Predložena metoda omogućava vizualizaciju procesa evolucije interfejsa tokom prvog punjenja i pražnjenja i procesa dugog ciklusa. Studija duboko razumije evoluciju strukture sučelja između katodnog materijala bogatog litijumom na bazi mangana i elektrolita prije i poslije modifikacije. Utvrđeno je da katodni materijal na bazi litijuma bogatog manganom prije modifikacije pokazuje ireverzibilnu anjonsku redoks reakciju kisika na visokom naponu, dalje oksidirajući međudjelu katode i elektrolita, što rezultira značajnim povećanjem impedanse i ometanjem međufaznog prijenosa Li+. Nasuprot tome, modifikovani materijal katode na bazi mangana bogat litijumom pokazuje stabilnu/brzu kinetiku difuzije Li+, posebno pri visokom naponu od 4,6 V, minimizirajući promjenu vrijednosti međufazne impedanse. Stoga se brži i stabilniji međufazni prijenos Li+ promovira poboljšanjem reverzibilnosti anjonske redoks reakcije kisika. Kompozitnim katodnim materijalima je lakše postići industrijske primjene s površinskim kapacitetom od ~3 mAh/cm2 ili čak većim. Na 25 stepeni, površinski kapacitet 5W&LRMO katodnog materijala sa visokim opterećenjem na 0.2 C stopa je oko 2,5 mAh/cm2, a stopa zadržavanja kapaciteta je 88,1% nakon 100 ciklusa; pri visokoj stopi od 1 C, pokazuje stabilnost ultra dugog ciklusa, sa stopom zadržavanja kapaciteta od 84,1% nakon 1200 ciklusa. Istraživanje pruža novi način za dizajniranje strukture sučelja za masu/površinu katodnih materijala na bazi mangana bogatih litijumom i efikasan način za poboljšanje gustine energije potpuno čvrstih litijumskih baterija.
Dana 1. oktobra, relevantni rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu American Chemical Society pod naslovom „Dizajn bulk/interfacijalnih struktura katoda na bazi Li-bogatih Mn za potpuno čvrste litijumske baterije“.
TOB NEW ENERGYpruža kompletan setrješenja za čvrste baterije, uključujućimaterijali čvrstih baterija, poluprovodničku baterijsku opremu ilinija za proizvodnju čvrstih baterijarješenja.
