Forskare vid Tokyo Institute of Technology har undersökt mekanismerna bakom resistansen vid gränssnittet mellan elektrod och elektrolyt hos helsolid-state-batterier. Deras resultat kommer att hjälpa till i utvecklingen av mycket bättre Li-ion-batterier med mycket snabba laddnings-/urladdningshastigheter.

Att designa och förbättra litiumjonbatterier (Li-ion) är avgörande för att utöka gränserna för moderna elektroniska enheter och elfordon eftersom Li-jonbatterier är praktiskt taget överallt. Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), ledd av prof. Taro Hitosugi, hade tidigare rapporterat en ny typ av helsolid-state batteri, även baserad på litiumjoner, som övervann ett av de stora problemen med dessa batterier:högt motstånd vid gränssnittet mellan elektroderna och elektrolyterna som begränsar snabb laddning/urladdning.

Även om enheterna de producerade var mycket lovande och var mycket bättre än konventionella Li-ion-batterier i vissa avseenden, mekanismen bakom det minskade gränssnittsmotståndet var oklart. Det har varit svårt att analysera de nedgrävda gränssnitten i helsolid-state-batterier utan att skada deras lager. Därför, Hitosugi och hans team av forskare undersökte återigen helsolid-state-batterier för att belysa detta ämne. De misstänkte att kristallinitet (vilket indikerar hur välordnat och periodiskt ett fast ämne är) vid elektrod-elektrolytgränssnittet spelade en nyckelroll för att definiera gränssnittsresistans.

För att bevisa detta, de tillverkade två olika helsolid-state-batterier sammansatta av elektrod- och elektrolytskikt med hjälp av en pulsad laseravsättningsteknik. Ett av dessa batterier hade förmodligen hög kristallinitet vid gränssnittet mellan elektrod och elektrolyt, medan den andra inte gjorde det. Att bekräfta detta var möjligt genom att använda en ny teknik som kallas röntgenkristallstynnings-stavspridningsanalys. "Röntgenstrålar kan nå de nedgrävda gränssnitten utan att förstöra strukturerna, " förklarar Hitosugi.

Baserat på deras resultat, teamet drog slutsatsen att ett mycket kristallint elektrod-elektrolytgränssnitt resulterade i lågt gränssnittsmotstånd, ger ett högpresterande batteri. Genom att analysera den mikroskopiska strukturen hos batteriernas gränssnitt, de föreslog en rimlig förklaring till det ökade motståndet hos batterier med mindre kristallina gränssnitt. Litiumjoner fastnar vid de mindre kristallina gränssnitten, hindrar jonledningsförmågan. "Kontrollerad tillverkning av elektrolyt/elektrodgränssnittet är avgörande för att få lågt gränssnittsmotstånd, " förklarar Hitosugi. Utvecklingen av teorier och simuleringar för att ytterligare förstå migrationen av Li-joner kommer att vara avgörande för att äntligen uppnå användbara och förbättrade batterier för alla typer av enheter baserade på elektrokemi.