El 21 d'agost, el professor MA Cheng de la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina (USTC) i els seus col·laboradors van proposar una estratègia eficaç per abordar el problema del contacte elèctrode-electròlit que limita el desenvolupament de bateries de liti d'estat sòlid de nova generació. L'elèctrode compost sòlid-sòlid creat d'aquesta manera va mostrar capacitats i rendiments de velocitat excepcionals.
Substituir l'electròlit líquid orgànic de les bateries de Li-ion convencionals per electròlits sòlids pot alleujar enormement els problemes de seguretat i potencialment trencar el "sostre de vidre" per a la millora de la densitat d'energia. Tanmateix, els materials d'elèctrodes convencionals també són sòlids. Com que el contacte entre dos sòlids és gairebé impossible que sigui tan íntim com el que hi ha entre el sòlid i el líquid, actualment les bateries basades en electròlits sòlids solen presentar un contacte elèctrode-electròlit deficient i un rendiment insatisfactori de cel·la completa.
«El problema del contacte elèctrode-electròlit de les bateries d'estat sòlid és una mica com el palo més curt d'un barril de fusta», va dir el professor MA Cheng de l'USTC, autor principal de l'estudi. «De fet, al llarg d'aquests anys els investigadors ja han desenvolupat molts elèctrodes i electròlits sòlids excel·lents, però el mal contacte entre ells encara limita l'eficiència del transport d'ions de liti».
Afortunadament, l'estratègia de MA pot superar aquest formidable repte. L'estudi va començar amb l'examen àtom per àtom d'una fase d'impuresa en un prototip d'electròlit sòlid amb estructura de perovskita. Tot i que l'estructura cristal·lina diferia molt entre la impuresa i l'electròlit sòlid, es va observar que formaven interfícies epitaxials. Després d'una sèrie d'anàlisis estructurals i químiques detallades, els investigadors van descobrir que la fase d'impuresa és isoestructural amb els elèctrodes en capes rics en Li d'alta capacitat. És a dir, un prototip d'electròlit sòlid pot cristal·litzar sobre la "motlle" formada per l'estructura atòmica d'un elèctrode d'alt rendiment, donant lloc a interfícies atòmicament íntimes.
«Això és realment una sorpresa», va dir el primer autor LI Fuzhen, que actualment és estudiant de postgrau de la USTC. «La presència d'impureses en el material és en realitat un fenomen molt comú, tan comú que la majoria de les vegades s'ignoren. Tanmateix, després d'observar-les de prop, vam descobrir aquest comportament epitaxial inesperat, i va inspirar directament la nostra estratègia per millorar el contacte sòlid-sòlid».
En comparació amb l'enfocament de premsat en fred que s'adopta habitualment, l'estratègia proposada pels investigadors pot aconseguir un contacte complet i sense fissures entre electròlits sòlids i elèctrodes a escala atòmica, tal com es reflecteix a la imatge de microscòpia electrònica de resolució atòmica. (Proporcionada per l'equip de MA.)
Aprofitant el fenomen observat, els investigadors van cristal·litzar intencionadament la pols amorfa amb la mateixa composició que l'electròlit sòlid amb estructura de perovskita a la superfície d'un compost en capes ric en Li, i van aconseguir un contacte complet i sense fissures entre aquests dos materials sòlids en un elèctrode compost. Un cop solucionat el problema del contacte elèctrode-electròlit, aquest elèctrode compost sòlid-sòlid va proporcionar una capacitat de velocitat fins i tot comparable a la d'un elèctrode compost sòlid-líquid. Més important encara, els investigadors també van descobrir que aquest tipus de contacte sòlid-sòlid epitaxial pot tolerar grans desajustos de xarxa i, per tant, l'estratègia que van proposar també podria ser aplicable a molts altres electròlits sòlids de perovskita i elèctrodes en capes.
«Aquest treball ha assenyalat una direcció que val la pena seguir», va dir MA. «L'aplicació del principi plantejat aquí a altres materials importants podria conduir a un rendiment cel·lular encara millor i a una ciència més interessant. Ho esperem amb il·lusió».
Els investigadors tenen la intenció de continuar la seva exploració en aquesta direcció i aplicar l'estratègia proposada a altres càtodes d'alta capacitat i alt potencial.
L'estudi es va publicar a Matter, una revista insígnia de Cell Press, amb el títol “Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries”. El primer autor és LI Fuzhen, estudiant de postgrau de la USTC. Entre els col·laboradors del professor MA Cheng hi ha la professora NAN Ce-Wen de la Universitat de Tsinghua i el Dr. ZHOU Lin del Laboratori Ames.
(Escola de Química i Ciències de Materials)
Enllaç del document: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Data de publicació: 03 de juny de 2019