Batterierna tillverkades genom att stapla olika lager via tunnfilmsavsättningsmetoder. LNMO/Li 3 PO 4 gränssnittet visade spontan migration av Li -joner och hade ett motstånd utan motstycke. Kredit:ACS Tillämpade material och gränssnitt
Forskare vid Tokyo Institute of Technology har tagit itu med en av de stora nackdelarna med helsolid-state-batterier genom att utveckla batterier med låg resistans vid gränssnittet mellan elektrod och fast elektrolyt. De tillverkade batterierna visade utmärkta elektrokemiska egenskaper som avsevärt överträffar de hos nu allmänt förekommande Li-ion-batterier, därigenom demonstrerar löftet om batteriteknik med hel solid state och dess potential att revolutionera bärbar elektronik.
Många konsumenter är bekanta med laddningsbara litiumjonbatterier, som har utvecklats under de senaste decennierna, och är nu vanliga i alla typer av elektroniska enheter. Trots deras breda användning, Forskare och ingenjörer tror att traditionell Li-ion batteriteknik redan närmar sig sin fulla potential och nya typer av batterier behövs.
All-solid-state batterier är en ny typ av Li-ion batteri, och har visat sig vara potentiellt säkrare och mer stabila energilagringsenheter med högre energidensiteter. Dock, användningen av sådana batterier är begränsad på grund av en stor nackdel - deras motstånd vid gränssnittet mellan elektrod och fast elektrolyt är för högt, hindrar snabb laddning och urladdning.
Forskare från Tokyo Institute of Technology och Tohoku University, ledd av professor Taro Hitosugi, tillverkade helsolid-state-batterier med extremt lågt gränssnittsmotstånd med Li(Ni 0,5 Mn 1.5 )O 4 (LNMO), genom att tillverka och mäta sina batterier under ultrahöga vakuumförhållanden, säkerställa att gränssnitten mellan elektrolyt och elektrod var fria från föroreningar.
(a) laddnings-urladdningskurvorna och (b) cykelprestandadiagrammet visar att prestandan för de tillverkade helsolid-state-batterierna inte försämrades efter upprepad användning, demonstrerar deras utmärkta stabilitet och den totala reversibiliteten av reaktionerna involverade i laddning/urladdning. Kredit:ACS Tillämpad och Material och gränssnitt
Strukturen för dessa helsolid-state-batterier visas i figur 1. Efter tillverkning, de elektrokemiska egenskaperna hos dessa batterier karakteriserades för att belysa Li-jonfördelningen runt gränssnittet. Röntgendiffraktion och Ramanspektroskopi användes för att analysera kristallstrukturen hos de tunna filmerna som ingår i batterierna. Spontan migration av Li-joner visade sig ske från Li 3 PO 4 lager till LNMO-lagret, konvertera halva LNMO till L 2 NMO vid Li 3 PO 4 /LNMO-gränssnitt. Den omvända migreringen sker under den initiala laddningsprocessen för att återskapa LNMO.
Motståndet i detta gränssnitt, verifierad med elektrokemisk impedansspektroskopi, var 7,6 Ω cm 2 , två storleksordningar mindre än tidigare LNMO-baserade helsolid-state-batterier, och ännu mindre än för vätskeelektrolytbaserade Li-ion-batterier som använder LNMO. Dessa batterier visade också snabb laddning och urladdning, lyckas ladda/urladda halva batteriet på bara en sekund. Dessutom, cyklerbarheten hos batteriet var också utmärkt, visar ingen försämring av prestanda även efter 100 laddnings-/urladdningscykler (se figur 2).
Li(Ni 0,5 Mn 1.5 )O 4 är ett lovande material för att öka energitätheten hos ett batteri, eftersom materialet ger en högre spänning. Forskargruppen hoppas att dessa resultat kommer att underlätta utvecklingen av högpresterande hel-solid-state batterier, som skulle kunna revolutionera moderna bärbara elektroniska apparater och elbilar.
