Schema för den nya lösningsbearbetningstekniken för sulfid SE. Kredit:Toyohashi University of Technology
En forskargrupp i doktorandprogrammet vid Toyohashi University of Technologys institution för elektrisk och elektronisk informationsteknik som inkluderar en doktorand Hirotada Gamo och särskilt utsedd biträdande professor Jin Nishida, särskilt utsedd docent Atsushi Nagai, biträdande professor Kazuhiro Hikima, professor Atsunori Matsuda och andra utvecklade en storskalig tillverkningsteknik av Li7 P3 S11 fasta elektrolyter för hel-solid-state litium-jon sekundära batterier.
Denna metod innebär tillsats av en överdriven mängd svavel (S) tillsammans med Li2 S och P2 S5 , utgångsmaterialen för Li7 P3 S11 till ett lösningsmedel innehållande en blandning av acetonitril (ACN), tetrahydrofuran (THF) och en liten mängd etanol (EtOH). Detta bidrog till att förkorta reaktionstiden från 24 timmar eller längre till endast två minuter. Den slutliga produkten som erhålls med denna metod är mycket ren Li7 P3 S11 utan en föroreningsfas som visade hög jonledningsförmåga på 1,2 mS cm -1 vid 25°C. Dessa resultat gör det möjligt för oss att till låg kostnad producera en stor mängd fasta sulfidelektrolyter för helsolid-state-batterier. Resultaten av forskningen publicerades online av Advanced Energy and Sustainability Research den 28 april 2022.
Detaljer
Hela fasta batterier förväntas bli nästa generations batterier för elfordon (EV) eftersom de är mycket säkra och möjliggör en övergång till hög energitäthet och hög uteffekt. Fasta sulfidelektrolyter, som uppvisar god jonledningsförmåga och plasticitet, har aktivt utvecklats med sikte på applikationer för helfasta batterier i elbilar. Men ingen storskalig tillverkningsteknik för fasta sulfidelektrolyter har etablerats på kommersialiseringsnivån, eftersom fasta sulfidelektrolyter är instabila i atmosfären och processen för att syntetisera och bearbeta dem kräver atmosfärisk kontroll. Av denna anledning finns det ett akut behov av att utveckla vätskefas-tillverkningstekniken för fasta sulfidelektrolyter som erbjuder låg kostnad och hög skalbarhet.
Li7 P3 S11 Fasta elektrolyter uppvisar hög jonledningsförmåga och är därför en kandidat för fasta elektrolyter för helsolid-state-batterier. Vätskefassyntesen av Li7 P3 S11 förekommer vanligtvis i ett acetonitril (ACN) reaktionslösningsmedel via prekursorer inklusive olösliga föreningar. Konventionella reaktionsprocesser som dessa tar lång tid då de går igenom en kinetiskt ofördelaktig reaktion från ett olösligt utgångsmaterial till en olöslig mellanprodukt. Ännu värre är det möjligt att den olösliga mellanprodukten skapar olikformighet genom en komplicerad fasbildning, vilket leder till en ökning av storskaliga tillverkningskostnader.
Mot denna bakgrund arbetade forskargruppen med utvecklingen av en teknologi för vätskefasproduktion av högjonledande Li7 P3 S11 fasta elektrolyter via enhetliga prekursorlösningar. Det har visat sig att den nyligen utvecklade metoden kan erhålla en enhetlig prekursorlösning innehållande löslig litiumpolysulfid (Li2 Sx ) på bara två minuter genom att lägga till Li2 S och P2 S5 , utgångsmaterialen för Li7 P3 S11 och en överdriven mängd S till ett lösningsmedel innehållande en blandning av ACN, THF och en liten mängd EtOH. Nyckeln till den snabba syntesen i denna metod är bildningen av litiumpolysulfid genom tillsats av en liten mängd EtOH eller en överdriven mängd S.
För att klargöra reaktionsmekanismen i denna metod användes ultraviolett-synlig (UV-Vis) spektroskopi för att undersöka den kemiska stabiliteten av Li2 Sx med och utan tillsatt EtOH. Studien visade att närvaron av EtOH gjorde Li2 Sx mer kemiskt stabil. Således skulle reaktionen i denna metod ta följande steg. För det första är litiumjoner starkt koordinerade med EtOH, ett mycket polärt lösningsmedel. Därefter, avskärmning av polysulfidjoner mot litiumjoner stabiliserar högreaktivt S3 ･ - radikala anjoner som är en sorts polysulfid. Den genererade S3 ･ - attackerar P2 S5, bryta burstrukturen för P2 S5 och få reaktionen att utvecklas. Reaktionen bildar litiumtiofosfat som löses upp i ett mycket lösligt blandat lösningsmedel innehållande ACN- och THF-lösningsmedel. Detta kan ha hjälpt till att erhålla enhetliga prekursorlösningar mycket snabbt. Slutprodukten, Li7 P3 S11 , skulle kunna framställas på två timmar utan behov av kulmalning eller högenergibehandling i reaktionsprocessen.
Jonkonduktiviteten hos Li7 P3 S11 erhållen med denna metod var 1,2 mS cm -1 vid 25 °C, högre än Li7 P3 S11 syntetiserad med den konventionella vätskefassyntesmetoden (0,8 mS cm -1 ) eller kulfräsning (1,0 mS cm -1 ). Metoden föreslår en ny väg för syntes av en fast sulfidelektrolyt och uppnår en storskalig tillverkningsteknik med låg kostnad.
Framtidsutsikter
Forskargruppen tror att den lågkostnadsteknologi för storskalig tillverkning av fasta sulfidelektrolyter för helfasta batterier som föreslås i denna forskning kan vara viktig i kommersialiseringen av elbilar utrustade med helfasta batterier. Forskningen fokuserade på Li7 P3 S11 för användning som en fast sulfidelektrolyt. Vi vill också tillämpa denna teknik på syntesen av andra sulfidelektrolyter än Li7 P3 S11 . + Utforska vidare
