Prof. Ma Cheng van de University of Science and Technology of China (USTC) en zijn medewerkers stelden een effectieve strategie voor om het probleem van het contact tussen elektroden en elektrolyten aan te pakken dat de ontwikkeling van solid-state Li-batterijen van de volgende generatie beperkt. De op deze manier gecreëerde massief-vaste composietelektrode vertoonde uitzonderlijke capaciteiten en snelheidsprestaties.

Het vervangen van de organische vloeibare elektrolyt in conventionele Li-ion-batterijen door vaste elektrolyten kan de veiligheidsproblemen aanzienlijk verlichten, en mogelijk het "glazen plafond" doorbreken voor verbetering van de energiedichtheid. Echter, mainstream elektrodematerialen zijn ook vaste stoffen. Aangezien het contact tussen twee vaste stoffen bijna onmogelijk is om zo intiem te zijn als dat tussen vast en vloeibaar, op dit moment vertonen de batterijen op basis van vaste elektrolyten typisch een slecht elektrode-elektrolytcontact en onbevredigende volledige celprestaties.

"Het elektrode-elektrolyt-contactprobleem van solid-state batterijen lijkt een beetje op de kortste staaf van een houten vat, " zei Prof. Ma Cheng van USTC, de hoofdauteur van de studie. "Werkelijk, in de loop van deze jaren hebben onderzoekers al veel uitstekende elektroden en vaste elektrolyten ontwikkeld, maar het slechte contact tussen hen beperkt nog steeds de efficiëntie van Li-ion transport."

Gelukkig, Ma's strategie kan deze formidabele uitdaging overwinnen. De studie begon met het atoom-voor-atoom onderzoek van een onzuiverheidsfase in een prototype, perovskiet-gestructureerde vaste elektrolyt. Hoewel de kristalstructuur sterk verschilde tussen de onzuiverheid en de vaste elektrolyt, ze werden waargenomen om epitaxiale interfaces te vormen. Na een reeks gedetailleerde structurele en chemische analyses, onderzoekers ontdekten dat de onzuiverheidsfase isostructureel is met de Li-rijke gelaagde elektroden met hoge capaciteit. Het is te zeggen, een prototype vaste elektrolyt kan kristalliseren op de "sjabloon" gevormd door het atomaire raamwerk van een hoogwaardige elektrode, resulterend in atomair intieme interfaces.

"Dit is echt een verrassing, " zei de eerste auteur Li Fuzhen, die momenteel een afgestudeerde student van USTC is. "De aanwezigheid van onzuiverheden in het materiaal is eigenlijk een veel voorkomend fenomeen, zo gewoon dat ze meestal worden genegeerd. Echter, na ze goed te hebben bekeken, we ontdekten dit onverwachte epitaxiale gedrag, en het inspireerde direct onze strategie voor het verbeteren van het solide contact."

Door gebruik te maken van het waargenomen fenomeen, de onderzoekers kristalliseerden opzettelijk het amorfe poeder met dezelfde samenstelling als de perovskiet-gestructureerde vaste elektrolyt op het oppervlak van een Li-rijke gelaagde verbinding, en met succes een grondige, naadloos contact tussen deze twee vaste materialen in een composietelektrode. Nu het probleem met het elektrode-elektrolytcontact is aangepakt, zo'n vast-vast-composietelektrode leverde een snelheidsvermogen dat zelfs vergelijkbaar was met dat van een vast-vloeistof-composietelektrode. Belangrijker, de onderzoekers ontdekten ook dat dit type epitaxiaal vast-vast contact grote roostermismatches kan tolereren, en dus zou de door hen voorgestelde strategie ook van toepassing kunnen zijn op veel andere vaste elektrolyten van perovskiet en gelaagde elektroden.

"Dit werk wees een richting uit die de moeite waard is om na te streven, "Zei Ma. "Het toepassen van het hier aan de orde gestelde principe op andere belangrijke materialen zou kunnen leiden tot nog betere celprestaties en interessantere wetenschap. We kijken er naar uit." De onderzoekers zijn van plan hun verkenning in deze richting voort te zetten, en de voorgestelde strategie toepassen op andere, kathoden met hoog potentiaal.

De studie is gepubliceerd in Materie , een tijdschrift van Cell Press, getiteld "Atomisch intiem contact tussen vaste elektrolyten en elektroden voor Li-batterijen".