Op 14 april, Prof. Ma Cheng van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) en zijn collega's rapporteerden een belangrijke ontdekking met betrekking tot het mechanisme van Li-ionmigratie in vaste elektrolyten voor batterijen, het observeren van een nieuw type microscopisch kenmerk dat het ionentransport aanzienlijk kan beïnvloeden.

Vaste elektrolyten zijn de belangrijkste componenten voor veilige, energierijk, volledig solid-state batterijen. Voordat hooggeleidende vaste elektrolyten op een kennisgebaseerde manier kunnen worden ontwikkeld, het mechanisme achter Li-ionmigratie moet grondig worden begrepen. In veel materialen, het succes van deze taak ligt in de vraag of de "niet-periodieke kenmerken" goed kunnen worden begrepen, omdat dergelijke kenmerken vaak een verandering van grootteorde in de ionische geleidbaarheid veroorzaken. Momenteel, slechts twee soorten niet-periodieke kenmerken, korrelgrenzen en puntdefecten, werden in de meeste onderzoeken overwogen.

Ma's team ontdekte een extra type niet-periodiek kenmerk dat het ionentransport diepgaand beïnvloedt. Met behulp van aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie, ze zagen een groot aantal defecten in een enkele atoomlaag in een prototype vaste elektrolyt Li _0,33 La _0,56 TiO ₃ . In tegenstelling tot andere bekende niet-periodieke kenmerken, het waargenomen defect is in wezen een verbinding met één atoomlaag die alleen op een beperkt aantal atomaire vlakken naar voren komt. Vanwege de symmetrie van deze vlakken, verschillend georiënteerde defecten vormen bijna altijd gesloten lussen.

"Er zijn eigenlijk veel van dergelijke defectlussen in het materiaal, maar het is erg moeilijk om ze te observeren, " zei de eerste auteur ZHU Feng, die momenteel een Ph.D. student van USTC. "Ze zijn alleen zichtbaar langs bepaalde oriëntaties. Bovendien, vanwege hun extreme dunheid en de afleiding van andere naast elkaar bestaande microstructuren, de aanwezigheid van deze gebreken wordt nauwelijks opgemerkt. Dit zou kunnen verklaren waarom ze tot nu toe niet zijn gemeld."

De waargenomen defecten bleken een atomaire configuratie te vertonen die Li-ionmigratie door de defectlaag volledig verbiedt. Als resultaat, wanneer dergelijke defecten een gesloten lus vormen, Li-ionen kunnen het binnenste volume niet binnenkomen of verlaten, en dit deel van het materiaal wordt dus uitgesloten van het totale ionentransport. Het volume dat op deze manier wordt geïsoleerd, is zo hoog als ~15%, wat kan leiden tot een reductie van één tot twee ordes van grootte in ionische geleidbaarheid.

"De defecte lus werkt als een Li-ion-val:het voorkomt dat de Li-ionen in het ingesloten volume ontsnappen, " zei Prof. Ma Cheng van USTC, de hoofdauteur van de studie. "Als zodanig, hoewel de defecten zelf slechts één atoom dun zijn, ze kunnen nog steeds zeer grote volumes van de vaste elektrolyt 'doden', waardoor ze niet-geleidend zijn."

De wetenschappers bedachten de term "single-atom-layer trap" (SALT) om deze unieke eigenschap te beschrijven. De ontdekking onthult dat niet-periodieke kenmerken anders dan korrelgrenzen en puntdefecten ook het ionentransport sterk kunnen veranderen, en dat soortgelijke studies dringend nodig zijn op andere vaste elektrolyten.