8-р сарын 21-нд Хятадын Шинжлэх Ухаан Технологийн Их Сургуулийн (USTC) профессор Ма Чен болон түүний хамтран ажиллагсад дараагийн үеийн хатуу төлөвт Li батерейны хөгжлийг хязгаарлаж буй электрод-электролитийн контактын асуудлыг шийдвэрлэх үр дүнтэй стратегийг санал болгов. Ийм байдлаар бүтээгдсэн хатуу нийлмэл электрод нь онцгой хүчин чадал, хурдны гүйцэтгэлийг харуулсан.
Уламжлалт Li-ион батерейны органик шингэн электролитийг хатуу электролитээр солих нь аюулгүй байдлын асуудлыг ихээхэн хөнгөвчлөхөөс гадна эрчим хүчний нягтралыг сайжруулах "шилэн тааз"-ыг эвдэж болзошгүй юм. Гэсэн хэдий ч үндсэн электродын материалууд нь бас хатуу байдаг. Хоёр хатуу биетийн хоорондох холбоо нь хатуу ба шингэний хоорондох холбоотой байх нь бараг боломжгүй тул хатуу электролит дээр суурилсан батерейнууд ихэвчлэн электрод-электролитийн холбоо муутай, бүрэн эсийн гүйцэтгэл хангалтгүй байдаг.
"Хатуу төлөвт батерейны электрод-электролиттэй холбоо барих асуудал нь модон торхны хамгийн богино шонтой адил юм" гэж судалгааны тэргүүлэх зохиогч USTC-ийн профессор MA Ченг хэлэв. "Үнэндээ эдгээр жилүүдэд судлаачид олон гайхалтай электродууд болон хатуу электролитүүдийг аль хэдийн бүтээсэн боловч тэдгээрийн хоорондын холбоо тааруу байгаа нь Ли-ионыг тээвэрлэх үр ашгийг хязгаарласаар байна."
Аз болоход, MA-ийн стратеги энэ аймшигт сорилтыг даван туулж чадна. Судалгаа нь перовскит бүтэцтэй хатуу электролитийн прототип дэх хольцын үе шатыг атом тус бүрээр нь судалж эхэлсэн. Хэдийгээр болор бүтэц нь хольц ба хатуу электролитийн хооронд ихээхэн ялгаатай байсан ч тэдгээр нь эпитаксиаль интерфэйс үүсгэдэг болохыг ажиглав. Бүтцийн болон химийн нарийвчилсан шинжилгээ хийсний дараа судлаачид хольцын үе шат нь өндөр хүчин чадалтай Li-аар баялаг давхаргат электродуудтай изострукцийн шинж чанартай болохыг олж мэдэв. Өөрөөр хэлбэл, хатуу электролитийн прототип нь өндөр хүчин чадалтай электродын атомын хүрээнээс үүссэн "загвар" дээр талсжиж, атомын хувьд дотно интерфейс үүсгэдэг.
"Энэ бол үнэхээр гэнэтийн зүйл" гэж одоо USTC-ийн төгсөх ангийн оюутан Ли Фүжен хэлэв. "Материалд хольц агуулагдах нь үнэндээ маш нийтлэг үзэгдэл бөгөөд ихэнх тохиолдолд тэдгээрийг үл тоомсорлодог. Гэсэн хэдий ч бид тэдгээрийг сайтар ажигласны дараа бид энэхүү гэнэтийн эпитаксиаль зан үйлийг олж мэдсэн бөгөөд энэ нь хатуу ба хатуу контактыг сайжруулах бидний стратегид шууд нөлөөлсөн."
Хүйтэн шахалтын түгээмэл аргатай харьцуулахад судлаачдын санал болгож буй стратеги нь атомын нарийвчлалтай электрон микроскопийн зурагт тусгагдсаны дагуу атомын масштабын хатуу электролит ба электродуудын хооронд нарийн, тасралтгүй холбоо тогтоох боломжтой. (MA-ийн баг өгсөн.)
Ажиглагдсан үзэгдлийн давуу талыг ашиглан судлаачид перовскит бүтэцтэй хатуу электролиттэй ижил найрлагатай аморф нунтагыг зориудаар талстжуулж, Li-аар баялаг давхаргат нэгдлийн гадаргуу дээр нийлмэл электродоор эдгээр хоёр хатуу материалын хооронд нарийн, тасралтгүй холбоо тогтоож чадсан. Электрод-электролитийн контакттай холбоотой асуудлыг шийдсэнээр ийм хатуу-хатуу нийлмэл электрод нь хатуу-шингэн нийлмэл электродтой харьцуулах чадвартай байсан. Хамгийн чухал нь судлаачид энэ төрлийн эпитаксиаль хатуу-хатуу контакт нь том торны үл нийцэх байдлыг тэсвэрлэх чадвартай болохыг олж мэдсэн бөгөөд ингэснээр тэдний санал болгож буй стратеги нь бусад олон перовскит хатуу электролитууд болон давхаргат электродуудад хэрэглэгдэх боломжтой юм.
"Энэ ажил нь баримтлах нь зүйтэй чиглэлийг зааж өгсөн" гэж М.А. "Энд дэвшүүлсэн зарчмыг бусад чухал материалд ашиглах нь эсийн гүйцэтгэлийг сайжруулж, шинжлэх ухааныг илүү сонирхолтой болгох болно. Бид үүнийг тэсэн ядан хүлээж байна."
Судлаачид энэ чиглэлд хайгуулаа үргэлжлүүлж, санал болгож буй стратегийг бусад өндөр хүчин чадалтай, өндөр чадавхитай катодуудад хэрэгжүүлэхээр төлөвлөж байна.
Энэхүү судалгааг Cell Press сэтгүүлийн тэргүүлэх сэтгүүл болох Matter сэтгүүлд "Li батерейны хатуу электролит ба электрод хоорондын атомын дотно холбоо" гарчигтайгаар нийтлэв. Анхны зохиогч нь USTC-ийн төгсөх ангийн оюутан LI Fuzhen юм. Профессор МА Ченгийн хамтран ажиллагсдын дунд Цинхуа их сургуулийн профессор НАН Цэ-Вэн, Амес лабораторийн доктор ЖОУ Лин нар багтжээ.
(Хими, материалын шинжлэх ухааны сургууль)
Цаасан холбоос: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Шуудангийн цаг: 2019 оны 6-р сарын 03-ны өдөр