ב-21 באוגוסט, פרופ' מ.א. צ'נג מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין (USTC) ועמיתיו הציעו אסטרטגיה יעילה לטיפול בבעיית המגע בין אלקטרודה לאלקטרוליט, המגבילה את פיתוחן של סוללות ליתיום במצב מוצק מהדור הבא. האלקטרודה המרוכבת מוצק-מוצק שנוצרה בדרך זו הציגה קיבולות וביצועי קצב יוצאי דופן.
החלפת האלקטרוליט הנוזלי האורגני בסוללות ליתיום-יון קונבנציונליות באלקטרוליטים מוצקים יכולה להקל במידה ניכרת על בעיות הבטיחות, ואולי לשבור את "תקרת הזכוכית" לשיפור צפיפות האנרגיה. עם זאת, חומרי אלקטרודה נפוצים הם גם מוצקים. מכיוון שהמגע בין שני מוצקים כמעט בלתי אפשרי להיות אינטימי כמו זה שבין מוצק לנוזל, כיום סוללות המבוססות על אלקטרוליטים מוצקים מציגות בדרך כלל מגע אלקטרודה-אלקטרוליט גרוע וביצועים לא מספקים של תא מלא.
"בעיית המגע בין האלקטרודה לאלקטרוליט בסוללות מצב מוצק דומה במידה מסוימת לעמוד הקצר ביותר של חבית עץ", אמר פרופ' מ.א. צ'נג מ-USTC, המחבר הראשי של המחקר. "למעשה, במהלך השנים הללו חוקרים כבר פיתחו אלקטרודות ואלקטרוליטים מוצקים מצוינים רבים, אך המגע הגרוע ביניהן עדיין מגביל את יעילות הובלת יוני הליתיום."
למרבה המזל, האסטרטגיה של MA עשויה להתגבר על אתגר אדיר זה. המחקר החל בבחינה אטום-אחר-אטום של פאזה של טומאה באב טיפוס, בעלת מבנה פרובסקיט. למרות שמבנה הגביש היה שונה מאוד בין הטומאה לאלקטרוליט המוצק, נצפו יצירת ממשקים אפיטקסיאליים. לאחר סדרה של ניתוחים מבניים וכימיים מפורטים, גילו החוקרים כי פאזה של טומאה היא איזו-מבנית עם אלקטרודות שכבות עשירות בליתיום בעלות קיבולת גבוהה. כלומר, אב טיפוס של אלקטרוליט מוצק יכול להתגבש על ה"תבנית" שנוצרת על ידי המסגרת האטומית של אלקטרודה בעלת ביצועים גבוהים, וכתוצאה מכך נוצרים ממשקים אינטימיים מבחינה אטומית.
"זו באמת הפתעה", אמר המחבר הראשון לי פוז'ן, שהוא כיום סטודנט לתואר שני ב-USTC. "נוכחותם של זיהומים בחומר היא למעשה תופעה נפוצה מאוד, כה נפוצה שרוב הזמן הם יתעלמו. עם זאת, לאחר שבחנו אותם מקרוב, גילינו התנהגות אפיטקסיאלית בלתי צפויה זו, והיא נתנה השראה ישירה לאסטרטגיה שלנו לשיפור המגע בין מוצקים."
בהשוואה לגישת הכבישה הקרה המקובלת, האסטרטגיה שהוצעה על ידי החוקרים יכולה לממש מגע יסודי וחלק בין אלקטרוליטים מוצקים לאלקטרודות בקנה מידה אטומי, כפי שמשתקף בתמונה של מיקרוסקופ אלקטרונים ברזולוציה אטומית. (סופקה על ידי צוות MA.)
תוך ניצול התופעה שנצפתה, החוקרים גיבשו במכוון את האבקה האמורפית בעלת הרכב זהה לזה של האלקטרוליט המוצק בעל המבנה הפרובסקיטי על פני השטח של תרכובת שכבתית עשירה בליתיום, והצליחו להשיג מגע יסודי וחלק בין שני החומרים המוצקים הללו באלקטרודה מרוכבת. לאחר שטופלה בעיית המגע בין אלקטרודה לאלקטרוליט, אלקטרודה מרוכבת מוצק-מוצק כזו סיפקה יכולת קצב דומה אף לזו של אלקטרודה מרוכבת מוצק-נוזל. חשוב מכך, החוקרים מצאו גם שסוג זה של מגע אפיטקסיאלי מוצק-מוצק עשוי לסבול פערים גדולים בסריג, ולכן האסטרטגיה שהציעו יכולה להיות ישימה גם על אלקטרוליטים מוצקים פרובסקיטיים רבים אחרים ואלקטרודות שכבות.
"עבודה זו הצביעה על כיוון שכדאי להמשיך בו", אמר MA. "יישום העיקרון שהועלה כאן על חומרים חשובים אחרים עשוי להוביל לביצועים טובים אף יותר של תאים ולמדע מעניין יותר. אנו מצפים לכך."
החוקרים מתכוונים להמשיך את חקירתם בכיוון זה, וליישם את האסטרטגיה המוצעת על קתודות אחרות בעלות קיבולת גבוהה ופוטנציאל גבוה.
המחקר פורסם ב- Matter, כתב עת דגל של Cell Press, תחת הכותרת "מגע אטומי אינטימי בין אלקטרוליטים מוצקים ואלקטרודות עבור סוללות ליתיום". המחבר הראשון הוא לי פוז'ן, סטודנט לתואר שני ב-USTC. בין משתפי הפעולה של פרופ' מ.א. צ'נג נמנים פרופ' נאן צ'ה-ון מאוניברסיטת צינגהואה וד"ר ג'ואו לין ממעבדת איימס.
(בית הספר לכימיה ומדעי החומרים)
קישור למאמר: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
זמן פרסום: 3 ביוני 2019