Professor Ma Cheng från University of Science and Technology of China (USTC) och hans medarbetare föreslog en effektiv strategi för att ta itu med elektrodelektrolytkontaktfrågan som begränsar utvecklingen av nästa generations solid-state Li-batterier. Den solid-solid kompositelektroden som skapats på detta sätt uppvisade exceptionell kapacitet och hastighetsprestanda.

Att ersätta den organiska flytande elektrolyten i konventionella Li-ion-batterier med fasta elektrolyter kan avsevärt lindra säkerhetsproblemen, och potentiellt bryta "glastaket" för att förbättra energitätheten. Dock, vanliga elektrodmaterial är också fasta ämnen. Eftersom kontakten mellan två fasta ämnen är nästan omöjlig att vara så intim som mellan fast och flytande, för närvarande uppvisar batterier baserade på fasta elektrolyter typiskt dålig elektrod-elektrolytkontakt och otillfredsställande fullcellsprestanda.

"Elektrode-elektrolytkontaktfrågan för halvledarbatterier är ungefär som den kortaste staven på en trätunna, "sade prof. Ma Cheng från USTC, huvudförfattaren till studien. "Faktiskt, under dessa år har forskare redan utvecklat många utmärkta elektroder och fasta elektrolyter, men den dåliga kontakten dem emellan begränsar fortfarande effektiviteten av Li-jontransport."

Lyckligtvis, Ma:s strategi kan övervinna denna formidabla utmaning. Studien började med en atom-för-atom-undersökning av en föroreningsfas i en prototyp, perovskitstrukturerad fast elektrolyt. Även om kristallstrukturen skiljde sig mycket mellan föroreningen och den fasta elektrolyten, de observerades bilda epitaxiala gränssnitt. Efter en rad detaljerade strukturella och kemiska analyser, forskare upptäckte att föroreningsfasen är isostrukturell med de högkapacitets Li-rika skiktade elektroderna. Det vill säga, en prototyp fast elektrolyt kan kristallisera på "mallen" som bildas av atomramen för en högpresterande elektrod, vilket resulterar i atomärt intima gränssnitt.

"Det här är verkligen en överraskning, " sa den första författaren Li Fuzhen, som för närvarande är doktorand vid USTC. "Närvaron av föroreningar i materialet är faktiskt ett mycket vanligt fenomen, så vanligt att de oftast ignoreras. Dock, efter att ha tittat närmare på dem, vi upptäckte detta oväntade epitaxiella beteende, och det inspirerade direkt vår strategi för att förbättra den solida och solida kontakten."

Att dra nytta av det observerade fenomenet, forskarna kristalliserade avsiktligt det amorfa pulvret med samma sammansättning som den perovskitstrukturerade fasta elektrolyten på ytan av en Li-rik skiktad förening, och framgångsrikt insåg en grundlig, sömlös kontakt mellan dessa två fasta material i en kompositelektrod. Med elektrod-elektrolytkontaktproblemet åtgärdat, en sådan fast-solid kompositelektrod levererade en hastighetskapacitet som till och med var jämförbar med den från en fast-flytande kompositelektrod. Mer viktigt, forskarna fann också att denna typ av epitaxial fast-fast kontakt kan tolerera stora ojämnheter i gitter, och därmed kan den strategi de föreslog också vara tillämplig på många andra perovskitfasta elektrolyter och skiktade elektroder.

"Detta arbete pekade ut en riktning som är värd att följa, "Ma sa." Att tillämpa principen som lyfts här på andra viktiga material kan leda till ännu bättre cellprestationer och mer intressant vetenskap. Vi ser fram emot det. "Forskarna tänker fortsätta sin utforskning i denna riktning, och tillämpa den föreslagna strategin på annan högkapacitet, katoder med hög potential.

Studien publiceras i Materia , en tidning för Cell Press, med titeln "Atomiskt intim kontakt mellan fasta elektrolyter och elektroder för Li-batterier".