کاتدهای مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم برای باتری های لیتیومی تمام حالت جامد

اخیراً، تیم پروفسور ژانگ کیانگ از دپارتمان مهندسی شیمی در دانشگاه تسینگ‌هوا، نتایج تحقیقاتی را در مورد طراحی ساختار رابط توده‌ای/سطحی مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم برای باتری‌های لیتیوم فلزی تمام حالت جامد منتشر کردند. آنها یک استراتژی تنظیم ساختار رابط سطحی و حجیم در محل پیشنهاد کردند، یک مسیر سریع و پایدار Li+/e- ایجاد کردند و کاربرد عملی مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم را در باتری‌های لیتیومی تمام حالت جامد ترویج کردند.

باتری‌ها نقش حیاتی در زمینه انرژی مدرن دارند و در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی و کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس شبکه به موفقیت زیادی دست یافته‌اند. با این حال، در حالی که چگالی انرژی باتری ها بهبود می یابد، اطمینان از ایمنی باتری ها کلید اصلی است. با رشد سریع تقاضا برای بهبود چگالی انرژی باتری‌ها، فن‌آوری سنتی باتری‌های لیتیوم یون که بر مواد کاتدی سنتی و الکترولیت‌های آلی متکی است، با گلوگاه‌های فنی در پایداری چرخه طولانی‌مدت، محدوده دمایی وسیع و ایمنی مواجه شده است. در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون سنتی، باتری‌های لیتیومی تمام حالت جامد می‌توانند از حد چگالی انرژی بالاتر عبور کنند. با توجه به چگالی انرژی و ویژگی های ایمنی عالی آن، همچنین به امیدبخش ترین فناوری باتری نسل بعدی تبدیل شده است. با وجود این، مواد کاتدی کلاسیک در حال حاضر نمی توانند چگالی انرژی بالا و الزامات ایمنی باتری های لیتیومی تمام حالت جامد را برآورده کنند. مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم به دلیل ظرفیت ویژه تخلیه بیش از یا مساوی 250 میلی آمپر ساعت در گرم، چگالی انرژی بیشتر یا مساوی 1000 وات ساعت بر کیلوگرم، به امیدوارکننده ترین مواد کاتدی برای باتری های لیتیومی تمام حالت جامد تبدیل شده اند. و مقدار کم Co و Ni.

با این حال، به دلیل رسانایی الکترونیکی کم و واکنش ردوکس غیر قابل برگشت آشکار، ساختار رابط به شدت تخریب می شود، که باعث می شود رفتار جنبشی مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم در هنگام شارژ و تخلیه مختل شود. پدیده فرار اکسیژن این رفتار شکست رابط را تشدید می کند و منجر به تجزیه اکسیداتیو الکترولیت می شود که به نوبه خود پایداری رابط بین مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم و الکترولیت ها را از بین می برد.

ساخت و حفظ یک مسیر انتقال پایدار Li+ و e-برای باتری در حالت کار، پیش نیازی برای ارتقای چرخه طولانی باتری‌های تمام حالت جامد در شرایط عملی است. تیم تحقیقاتی می‌تواند یک مسیر پایدار و سریع Li+/e- در محل مشترک مواد کاتد/الکترولیت جامد با تنظیم ساختار رابط توده‌ای/سطحی و طراحی خلاقانه بسازد، فعالیت واکنش ردوکس اکسیژن آنیونی را ارتقا دهد و برگشت‌پذیری را افزایش دهد. واکنش ردوکس اکسیژن آنیونی روی سطح مواد کاتدی باتری لیتیومی تمام حالت جامد در دمای اتاق، در نتیجه رابط ولتاژ بالا جامد و جامد تثبیت می شود.

شکل 1. نمودار شماتیک اصلاح استراتژی طراحی ساختار رابط توده/سطح مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم

این مطالعه یک استراتژی سنتز یک مرحله‌ای را برای بهینه‌سازی ساختار رابط توده‌ای/سطحی مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم پیشنهاد کرد و یک ماده کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم (5W&LRMO) با ساختار توده‌ای، دوپینگ W و ایجاد کرد. پوشش سطح Li2WO4. این ساختار پایداری ساختاری عمده مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم را افزایش می‌دهد، سینتیک انتقال Li+/e- را بهبود می‌بخشد و به طور قابل‌توجهی فعالیت اکسیداسیون و کاهش کاتیون‌های فلزات واسطه و اکسیژن آنیونی را افزایش می‌دهد. جبران بار واکنش‌های ردوکس اکسیژن آنیونی در طول فرآیند شارژ و دشارژ به دست می‌آید، در نتیجه برگشت‌پذیری واکنش‌های ردوکس یون اکسیژن بر روی سطح مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم و تثبیت رابط ولتاژ بالا جامد و جامد بهبود می‌یابد. رابط بهینه شده، پایداری شارژ و دشارژ را در محدوده ولتاژ بالا تضمین می کند و سینتیک انتقال کارآمد Li+/e- را در یک دوره چرخه طولانی حفظ می کند، در نتیجه نرخ استفاده از مواد فعال در مواد کاتد کامپوزیت را بهبود می بخشد.

شکل 2. تکامل سینتیک انتقال سطحی Li+ مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم در طول اولین فرآیند شارژ و تخلیه

این مطالعه فرآیند تکامل امپدانس رابط بین کاتد مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم و الکترولیت را با آزمایش طیف‌سنجی امپدانس درجا (EIS) همراه با تجزیه و تحلیل زمان آرامش (DRT) نشان داد. روش پیشنهادی تجسم فرآیند تکامل رابط را در طول اولین شارژ و دشارژ و فرآیند چرخه طولانی امکان‌پذیر می‌سازد. این مطالعه عمیقاً تکامل ساختار رابط بین مواد کاتد مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم و الکترولیت قبل و بعد از اصلاح را درک می کند. مشخص شده است که مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم قبل از اصلاح، واکنش اکسیداسیون اکسیداسیون آنیون آنیون برگشت‌ناپذیر را در ولتاژ بالا نشان می‌دهد، و باعث اکسید شدن بیشتر رابط کاتد و الکترولیت می‌شود که منجر به افزایش قابل توجه امپدانس و مانع از انتقال سطحی Li + می‌شود. در مقابل، مواد کاتد مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم اصلاح شده، سینتیک انتشار Li+ پایدار/سریع را نشان می‌دهد، به ویژه در ولتاژ بالای 4.6 ولت، که تغییر در مقدار امپدانس سطحی را به حداقل می‌رساند. بنابراین، انتقال سریعتر و پایدارتر Li + سطحی با بهبود برگشت پذیری واکنش اکسیداسیون و کاهش اکسیژن آنیون ارتقا می یابد. دستیابی به کاربردهای صنعتی با ظرفیت سطح ~ 3 mAh/cm2 یا حتی بیشتر برای مواد کاتدی کامپوزیتی آسان تر است. در 25 درجه، ظرفیت سطحی مواد کاتد 5W&LRMO با بار منطقه بالا در نرخ 0.2 C حدود 2.5 mAh/cm2 است، و نرخ نگهداری ظرفیت 88.1٪ پس از 100 سیکل است. در نرخ بالای 1 درجه سانتیگراد، پایداری چرخه فوق العاده طولانی را نشان می دهد، با نرخ حفظ ظرفیت 84.1٪ پس از 1200 چرخه. این تحقیق راه جدیدی را برای طراحی ساختار رابط توده/سطح مواد کاتدی مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم و روشی موثر برای بهبود چگالی انرژی باتری‌های لیتیومی تمام حالت جامد ارائه می‌کند.

در 1 اکتبر، نتایج تحقیقات مربوطه در مجله انجمن شیمی آمریکا تحت عنوان "طراحی ساختار توده ای / سطحی کاتدهای مبتنی بر منگنز لیتیوم برای باتری های لیتیومی تمام حالت جامد" منتشر شد.

TOB جدید انرژیمجموعه کاملی ازراه حل های باتری حالت جامد، از جملهمواد باتری حالت جامد، تجهیزات باتری حالت جامد وخط تولید باتری حالت جامدراه حل ها