Nylig publiserte professor Zhang Qiangs team fra Institutt for kjemiteknikk ved Tsinghua University forskningsresultatene om bulk-/overflategrensesnittstrukturdesign av litiumrike manganbaserte katodematerialer for helfaststoffmetalllitiumbatterier. De foreslo en reguleringsstrategi for bulk/overflategrensesnittstruktur på stedet, konstruerte en rask og stabil Li+/e-bane, og fremmet den praktiske anvendelsen av litiumrike manganbaserte katodematerialer i all-solid-state litiumbatterier.
Batterier spiller en viktig rolle i det moderne energifeltet og har oppnådd stor suksess i bærbare elektroniske enheter, elektriske kjøretøy og energilagringsapplikasjoner i nettskala. Men mens du forbedrer energitettheten til batterier, er det å sikre sikkerheten til batterier nøkkelen. Med den raske veksten i etterspørselen etter forbedring av energitettheten til batterier, har den tradisjonelle litiumionbatteriteknologien som er avhengig av tradisjonelle katodematerialer og organiske elektrolytter støtt på tekniske flaskehalser i langsiktig syklusstabilitet, bredt temperaturområde og sikkerhet. Sammenlignet med tradisjonelle litium-ion-batterier, kan all-solid-state litiumbatterier bryte gjennom den høyere energitetthetsgrensen. På grunn av sin utmerkede energitetthet og sikkerhetsegenskaper, har den også blitt den mest lovende neste generasjons batteriteknologi. Til tross for dette kan ikke klassiske katodematerialer for øyeblikket oppfylle de høye energitetthetene og sikkerhetskravene til helsolid-state litiumbatterier. Litiumrike manganbaserte katodematerialer har blitt de mest lovende katodematerialene for all-solid-state litiumbatterier på grunn av deres utladningsspesifikke kapasitet Større enn eller lik 250 mAh/g, energitetthet Større enn eller lik 1000 Wh/kg og lavt Co- og Ni-innhold.
På grunn av den lave elektroniske ledningsevnen og den åpenbare irreversible redoksreaksjonen, er grensesnittstrukturen alvorlig forringet, noe som gjør den kinetiske oppførselen til litiumrike manganbaserte katodematerialer under ladning og utladning svekket. Oksygenunnslippingsfenomenet forverrer denne grensesnittsviktadferden, noe som fører til oksidativ dekomponering av elektrolytten, som igjen ødelegger grensesnittstabiliteten mellom litiumrike manganbaserte katodematerialer og elektrolytter.
Konstruksjon og vedlikehold av en stabil Li+- og e−transportbane for batteriet i arbeidstilstand er forutsetningen for å fremme langsyklusen til hel-solid-state-batterier under praktiske forhold. Forskerteamet kan konstruere en stabil og rask Li+/e−bane in situ ved katodematerialet/fastelektrolyttgrensesnittet ved å justere bulk/overflategrensesnittstrukturen og innovativ design, fremme redoksreaksjonsaktiviteten til anionisk oksygen og forbedre reversibiliteten til redoksreaksjonen av anionisk oksygen på overflaten av katodematerialet til et hel-solid-state litiumbatteri ved romtemperatur, og stabiliserer derved høyspennings fast-solid-grensesnittet.
Figur 1. Skjematisk diagram av modifikasjonen av bulk/overflategrensesnittstrukturdesignstrategi for litiumrike manganbaserte katodematerialer
Denne studien foreslo en ett-trinns syntesestrategi for å optimalisere bulk-/overflategrensesnittstrukturen til litiumrike manganbaserte katodematerialer, og skapte et litiumrikt manganbasert katodemateriale (5W&LRMO) med en innebygd bulkstruktur, W-doping og Li2WO4 overflatebelegg. Denne strukturen forbedrer bulkstrukturstabiliteten til litiumrike manganbaserte katodematerialer, forbedrer overføringskinetikken til Li+/e− og forbedrer redoksaktiviteten til overgangsmetallkationer og anionisk oksygen betydelig. Ladningskompensasjon av anioniske oksygenredoksreaksjoner under lade- og utladningsprosessen oppnås, og fremmer derved reversibiliteten til oksygenionredoksreaksjoner på overflaten av litiumrike manganbaserte katodematerialer og stabiliserer høyspenningsfaststoff-faststoffgrensesnittet. Det optimaliserte grensesnittet sikrer lade- og utladningsstabilitet i høyspenningsområdet og opprettholder effektiv Li+/e−overføringskinetikk over en lang syklusperiode, og forbedrer dermed utnyttelsesgraden av aktive stoffer i komposittkatodematerialet.
Figur 2. Utvikling av grensesnitt Li+ transportkinetikk for litiumrike manganbaserte katodematerialer under den første lade- og utladningsprosessen
Denne studien avslørte impedansutviklingsprosessen til grensesnittet mellom den litiumrike manganbaserte katoden og elektrolytten ved in-situ impedansspektroskopi (EIS) testing kombinert med relaksasjonstidsanalyse (DRT). Den foreslåtte metoden muliggjør visualisering av grensesnittevolusjonsprosessen under den første ladingen og utladingen og langsyklusprosessen. Studien har en dyp forståelse av grensesnittstrukturen mellom det litiumrike manganbaserte katodematerialet og elektrolytten før og etter modifikasjon. Det er funnet at det litiumrike manganbaserte katodematerialet før modifisering viser irreversibel anionoksygenredoksreaksjon ved høy spenning, noe som ytterligere oksiderer katode- og elektrolyttgrensesnittet, noe som resulterer i en betydelig økning i impedans og hindrer grensesnitt Li+-transmisjonen. Derimot viser det modifiserte litiumrike manganbaserte katodematerialet stabil/rask Li+-diffusjonskinetikk, spesielt ved en høyspenning på 4,6 V, og minimerer endringen i grensesnittimpedansverdien. Derfor fremmes raskere og mer stabil grenseflate Li+-overføring ved å forbedre reversibiliteten til anionoksygenredoksreaksjonen. Det er lettere for komposittkatodematerialer å oppnå industrielle applikasjoner med en overflatekapasitet på ~3 mAh/cm2 eller enda høyere. Ved 25 grader er overflatekapasiteten til 5W&LRMO-katodematerialet med høy arealbelastning ved 0.2 C-hastighet ca. 2,5 mAh/cm2, og kapasitetsretensjonshastigheten er 88,1 % etter 100 sykluser; ved en høy hastighet på 1 C viser den ultralang syklusstabilitet, med en kapasitetsretensjon på 84,1 % etter 1200 sykluser. Forskningen gir en ny måte å designe bulk-/overflategrensesnittstrukturen til litiumrike manganbaserte katodematerialer og en effektiv måte å forbedre energitettheten til hel-solid-state litiumbatterier.
1. oktober ble de relevante forskningsresultatene publisert i Journal of the American Chemical Society under tittelen "Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries".
TOB NY ENERGIgir et komplett sett medsolid-state batteriløsninger, inkludertsolid-state batterimaterialer, solid-state batteriutstyr, ogsolid-state batteri produksjonslinjeløsninger.
