Neseniai profesoriaus Zhang Qiang komanda iš Tsinghua universiteto Cheminės inžinerijos katedros paskelbė tyrimų rezultatus, susijusius su ličio turtingų mangano pagrindu pagamintų katodinių medžiagų, skirtų kietojo kūno metalo ličio baterijoms, tūrinės / paviršiaus sąsajos struktūros projektavimu. Jie pasiūlė in situ tūrinės / paviršiaus sąsajos struktūros reguliavimo strategiją, sukonstravo greitą ir stabilų Li + / e-taką ir skatino praktiškai pritaikyti ličio turtingas mangano pagrindu pagamintas katodines medžiagas visose kietojo kūno ličio baterijose.
Baterijos vaidina gyvybiškai svarbų vaidmenį šiuolaikinėje energetikos srityje ir sulaukė didelės sėkmės nešiojamuose elektroniniuose prietaisuose, elektrinėse transporto priemonėse ir tinklo masto energijos kaupimo programose. Tačiau, didinant baterijų energijos tankį, svarbiausia užtikrinti baterijų saugumą. Sparčiai augant baterijų energijos tankio gerinimo poreikiui, tradicinė ličio jonų baterijų technologija, kuri remiasi tradicinėmis katodinėmis medžiagomis ir organiniais elektrolitais, susidūrė su techninėmis kliūtimis, susijusiomis su ilgalaikio ciklo stabilumu, plačiu temperatūrų diapazonu ir saugumu. Palyginti su tradicinėmis ličio jonų baterijomis, visos kietojo kūno ličio baterijos gali peržengti didesnį energijos tankio ribą. Dėl puikaus energijos tankio ir saugumo charakteristikų jis taip pat tapo perspektyviausia naujos kartos akumuliatorių technologija. Nepaisant to, klasikinės katodinės medžiagos šiuo metu negali atitikti didelio kietojo kūno ličio baterijų energijos tankio ir saugos reikalavimų. Ličio turtingos mangano pagrindu pagamintos katodinės medžiagos tapo perspektyviausiomis kietojo kūno ličio baterijų katodinėmis medžiagomis, nes jų savitoji iškrovos talpa didesnė arba lygi 250 mAh/g, energijos tankis didesnis arba lygus 1000 Wh/kg ir mažas Co ir Ni kiekis.
Tačiau dėl mažo elektroninio laidumo ir akivaizdžios negrįžtamos redokso reakcijos sąsajos struktūra yra labai pablogėjusi, todėl ličio turinčių mangano pagrindu pagamintų katodinių medžiagų kinetinis elgesys įkrovimo ir iškrovimo metu pablogėja. Deguonies pabėgimo reiškinys sustiprina šį sąsajos gedimo elgesį, dėl kurio elektrolitas oksiduojasi, o tai savo ruožtu sunaikina sąsajos stabilumą tarp ličio turinčių mangano katodo medžiagų ir elektrolitų.
Stabilaus Li+ ir e-transporto kelio sukūrimas ir palaikymas, kai akumuliatorius veikia, yra būtina sąlyga norint skatinti ilgą kietojo kūno akumuliatorių ciklą praktinėmis sąlygomis. Mokslininkų komanda gali sukurti stabilų ir greitą Li + / e-taką in situ katodo medžiagos / kieto elektrolito sąsajoje, reguliuodama tūrinės / paviršiaus sąsajos struktūrą ir novatorišką dizainą, skatinti anijoninio deguonies redokso reakcijos aktyvumą ir padidinti jo grįžtamumą. anijoninio deguonies redokso reakcija ant kietojo kūno ličio baterijos katodo medžiagos paviršiaus kambario temperatūroje, taip stabilizuojant aukštos įtampos kietą kietą medžiagą sąsaja.
1 pav. Ličio turtingų mangano pagrindu pagamintų katodinių medžiagų tūrinės/paviršinės sąsajos struktūros projektavimo strategijos modifikavimo schema
Šiame tyrime buvo pasiūlyta vieno etapo sintezės strategija, skirta optimizuoti ličio turtingų mangano pagrindu pagamintų katodinių medžiagų tūrinę/paviršiaus sąsajos struktūrą, ir sukurta ličio turtinga mangano pagrindu pagaminta katodinė medžiaga (5W&LRMO) su masine įterpta struktūra, W dopingu ir Li2WO4 paviršiaus danga. Ši struktūra padidina ličio turtingų mangano pagrindu pagamintų katodinių medžiagų masinį struktūrinį stabilumą, pagerina Li + / e− perdavimo kinetiką ir žymiai padidina pereinamojo metalo katijonų ir anijoninio deguonies redoksinį aktyvumą. Pasiekiama anijoninių deguonies redokso reakcijų įkrovimo kompensacija įkrovimo ir iškrovimo proceso metu, taip skatinant deguonies jonų redokso reakcijų grįžtamumą ličio turtingų mangano pagrindu pagamintų katodinių medžiagų paviršiuje ir stabilizuojant aukštos įtampos kietojo ir kieto kietojo junginio sąsają. Optimizuota sąsaja užtikrina įkrovimo ir iškrovimo stabilumą aukštos įtampos diapazone ir palaiko efektyvią Li+/e-transfer kinetiką per ilgą ciklo laikotarpį, taip pagerindama veikliųjų medžiagų panaudojimo greitį kompozitinėje katodo medžiagoje.
2 pav. Ličio turinčių mangano pagrindu pagamintų katodinių medžiagų sąsajos Li+ transportavimo kinetikos raida pirmojo įkrovimo ir iškrovimo proceso metu
Šis tyrimas atskleidė sąsajos tarp ličio turtingo mangano katodo ir elektrolito impedanso evoliucijos procesą atliekant in situ impedanso spektroskopijos (EIS) bandymą kartu su atsipalaidavimo laiko analize (DRT). Siūlomas metodas leidžia vizualizuoti sąsajos evoliucijos procesą pirmojo įkrovimo ir iškrovimo bei ilgo ciklo proceso metu. Tyrimas giliai supranta sąsajos struktūros raidą tarp ličio turtingos mangano katodo medžiagos ir elektrolito prieš ir po modifikavimo. Nustatyta, kad ličio turtingoje mangano pagrindu pagamintoje katodo medžiagoje prieš modifikavimą vyksta negrįžtama anijonų deguonies redokso reakcija esant aukštai įtampai, toliau oksiduojant katodo ir elektrolito sąsają, todėl žymiai padidėja varža ir trukdoma Li + perdavimui tarp paviršių. Priešingai, modifikuota ličio turtinga mangano pagrindu pagaminta katodo medžiaga pasižymi stabilia / greita Li + difuzijos kinetika, ypač esant aukštai 4, 6 V įtampai, sumažindama sąsajos varžos vertės pokyčius. Todėl gerinant anijonų deguonies redokso reakcijos grįžtamumą skatinamas greitesnis ir stabilesnis Li + perdavimas tarp paviršių. Kompozitinėms katodinėms medžiagoms lengviau pasiekti pramoninio lygio pritaikymus, kurių paviršiaus talpa yra ~3 mAh/cm2 ar net didesnė. Esant 25 laipsniams, didelės apkrovos 5W&LRMO katodo medžiagos paviršiaus talpa esant 0,2 C greičiui yra apie 2,5 mAh/cm2, o talpos išlaikymo koeficientas yra 88,1 % po 100 ciklų; esant dideliam 1 C greičiui, jis rodo itin ilgo ciklo stabilumą, o talpos išlaikymo rodiklis po 1200 ciklų yra 84,1%. Tyrimas suteikia naują būdą suprojektuoti ličio turtingų mangano katodinių medžiagų tūrinę / paviršiaus sąsajos struktūrą ir efektyvų būdą pagerinti visų kietojo kūno ličio baterijų energijos tankį.
Spalio 1 d. atitinkami tyrimų rezultatai buvo paskelbti Amerikos chemijos draugijos žurnale pavadinimu „Bulk/Interfacial Structure Structure Design of Li-rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries“.
TOB NAUJA ENERGIJAsuteikia pilną komplektąkietojo kūno baterijų sprendimai, įskaitantkietojo kūno baterijų medžiagos, kietojo kūno akumuliatoriaus įranga irkietojo kūno baterijų gamybos linijasprendimus.
