Li-rijke Mn-gebaseerde kathoden voor volledig solid-state lithiumbatterijen

Onlangs, Het team van professor Zhang Qiang van de afdeling Chemische Technologie van Tsinghua University publiceerde de onderzoeksresultaten over de bulk/oppervlakte-interface structuurontwerp van op lithiumrijke mangaan gebaseerde kathodematerialen voor volledig solid-state lithium-metaalbatterijen. Ze stelden een in-situ bulk/oppervlak voor strategie voor de regulering van de interfacestructuur, een snelle en stabiele Li+/eâ-route geconstrueerd en de praktische toepassing van lithiumrijke Op mangaan gebaseerde kathodematerialen in lithiumbatterijen die volledig uit vaste stoffen bestaan.

Batterijen spelen een cruciale rol op het moderne energieveld en hebben daarin grote successen geboekt draagbare elektronische apparaten, elektrische voertuigen en energieopslag op netschaal toepassingen. Terwijl de energiedichtheid van batterijen wordt verbeterd, wordt er wel voor gezorgd de veiligheid van batterijen is de sleutel. Met de snelle groei van de vraag naar het verbeteren van de energiedichtheid van batterijen, de traditionele lithium-ionbatterij technologie die afhankelijk is van traditionele kathodematerialen en organische elektrolyten zijn in de langetermijncyclus technische knelpunten tegengekomen stabiliteit, breed temperatuurbereik en veiligheid. Vergeleken met traditioneel Lithium-ionbatterijen, volledig vaste lithiumbatterijen kunnen de batterij doorbreken hogere energiedichtheidslimiet. Vanwege de uitstekende energiedichtheid en veiligheid Kenmerkend is dat het ook de meest veelbelovende batterij van de volgende generatie is geworden technologie. Desondanks kunnen klassieke kathodematerialen momenteel niet voldoen aan de eisen hoge energiedichtheid en veiligheidseisen van volledig lithium in vaste toestand batterijen. Op lithiumrijke mangaan gebaseerde kathodematerialen zijn het meest geworden veelbelovende kathodematerialen voor volledig vaste-stof-lithiumbatterijen vanwege hun ontladingsspecifieke capaciteitâ¥250 mAh/g, energiedichtheidâ¥1000 Wh/kg en een laag Co- en Ni-gehalte.

Echter, vanwege de lage elektronische geleidbaarheid en de voor de hand liggende onomkeerbare redoxreactie, de interfacestructuur is ernstig verslechterd, waardoor het kinetische gedrag van Op lithiumrijke mangaan gebaseerde kathodematerialen tijdens het laden en ontladen verzwakt. Het fenomeen van zuurstofontsnapping verergert dit interface-foutgedrag, wat leidt tot oxidatieve ontleding van de elektrolyt, die op zijn beurt vernietigt de grensvlakstabiliteit tussen op lithiumrijke mangaan gebaseerde kathodematerialen en elektrolyten.

Bouwen en het handhaven van een stabiel Li+- en e-transportpad voor de batterij in werkende staat is een voorwaarde voor het bevorderen van de lange cyclus van volledig solid-state batterijen onder praktische omstandigheden. Het onderzoeksteam kan dat bouw ter plaatse een stabiel en snel Li+/e-pad kathodemateriaal/vaste elektrolytgrensvlak door aanpassing van de bulk/oppervlakte interfacestructuur en innovatief ontwerp bevorderen de redoxreactieactiviteit van anionische zuurstof, en verbeter de omkeerbaarheid van de redoxreactie van anionisch zuurstof op het oppervlak van het kathodemateriaal van lithium in vaste toestand batterij bij kamertemperatuur, waardoor de vaste stof met hoge spanning wordt gestabiliseerd interface.

Figuur 1. Schematisch diagram van de wijziging van de bulk-/oppervlakte-interfacestructuur ontwerpstrategie van op lithiumrijke mangaan gebaseerde kathodematerialen

Deze studie stelde een eenstapssynthesestrategie voor om de bulk/oppervlakte-interface te optimaliseren structuur van op lithiumrijke mangaan gebaseerde kathodematerialen, en creëerde een lithiumrijk kathodemateriaal op mangaanbasis (5W en LRMO) met een bulk ingebedde structuur, W-dotering en Li2WO4-oppervlaktecoating. Deze structuur verbetert de structurele stabiliteit van de lithiumrijke mangaan-gebaseerde kathode materialen, verbetert de overdrachtskinetiek van Li+/eâ, en verbetert aanzienlijk de redoxactiviteit van overgangsmetaal kationen en anionische zuurstof. Ladingscompensatie van anionische zuurstofredox Hierdoor worden reacties tijdens het laad- en ontlaadproces bereikt het bevorderen van de omkeerbaarheid van redoxreacties van zuurstofionen op het oppervlak van lithiumrijke, op mangaan gebaseerde kathodematerialen en het stabiliseren van de hoogspanning solide-solide interface. De geoptimaliseerde interface zorgt voor laden en ontladen stabiliteit in het hoogspanningsbereik en handhaaft efficiënte Li+/e-overdrachtskinetiek gedurende een lange cyclusperiode, waardoor de benuttingsgraad van actieve stoffen in het samengestelde kathodemateriaal.

Figuur 2. Evolutie van de grensvlak-Li+-transportkinetiek van lithiumrijk mangaan kathodematerialen tijdens het eerste laad- en ontlaadproces

Deze studie onthulde het impedantie-evolutieproces van de interface tussen de lithiumrijke mangaan-gebaseerde kathode en de elektrolyt door in-situ impedantie spectroscopie (EIS) testen gecombineerd met relaxatietijdanalyse (DRT). De De voorgestelde methode maakt visualisatie van het interface-evolutieproces mogelijk het eerste opladen en ontladen en het lange cyclusproces. De studie diepgaand begrijpt de evolutie van de interfacestructuur tussen de lithiumrijken Op mangaan gebaseerd kathodemateriaal en de elektrolyt ervoor en erna wijziging. Het blijkt dat de lithiumrijke kathode op mangaanbasis is materiaal vóór modificatie vertoont een onomkeerbare anion-zuurstof-redoxreactie bij hoge spanning, waardoor het grensvlak tussen kathode en elektrolyt verder wordt geoxideerd, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de impedantie en het hinderen van het grensvlak Li+-transmissie. Daarentegen is het gemodificeerde lithiumrijke mangaan gebaseerd kathodemateriaal vertoont stabiele/snelle Li+-diffusiekinetiek, vooral bij a hoge spanning van 4,6 V, waardoor de verandering in grensvlakimpedantiewaarde wordt geminimaliseerd. Daarom wordt een snellere en stabielere Li+-transmissie op het grensvlak bevorderd verbetering van de omkeerbaarheid van de anion-zuurstof-redoxreactie. Het is gemakkelijker voor composietkathodematerialen om industriële toepassingen te realiseren met a oppervlaktecapaciteit van ~3 mAh/cm2 of zelfs hoger. Bij 25°C, de oppervlaktecapaciteit van het 5W- en LRMO-kathodemateriaal met hoge oppervlaktebelasting bedraagt ​​0,2 C-snelheid is ongeveer 2,5 mAh/cm2 en het capaciteitsbehoud bedraagt ​​88,1% na 100 cycli; bij een hoge snelheid van 1 C vertoont het een ultralange cyclusstabiliteit, met capaciteitsbehoud van 84,1% na 1200 cycli. Het onderzoek levert een nieuwe op manier om de bulk/oppervlakte-interfacestructuur van lithiumrijk te ontwerpen Op mangaan gebaseerde kathodematerialen en een effectieve manier om de energie te verbeteren dichtheid van volledig vaste-stof-lithiumbatterijen.

Op 1 oktober vond de relevante onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Society onder de titelBulk/Interfacial Structuurontwerp van op Li-rijke Mn gebaseerde kathoden voor volledig solid-state lithium Batterijenâ.

TOB NEW ENERGY biedt een volledige reeks solid-state batterijoplossingen, inclusief solid-state batterijmaterialen, solid-state batterijapparatuur en solid-state batterij productielijn oplossingen.