Catodi a base di litio ricco di manganese per batterie al litio allo stato solido

Recentemente, Il team del professor Zhang Qiang del Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università L'Università di Tsinghua ha pubblicato i risultati della ricerca sull'interfaccia massa/superficie progettazione della struttura di materiali catodici a base di manganese ricchi di litio per batterie al litio metallico interamente allo stato solido. Hanno proposto una massa/superficie in situ strategia di regolazione della struttura dell'interfaccia, costruito un percorso Li+/eâ veloce e stabile e promosso l'applicazione pratica di materiali ricchi di litio materiali catodici a base di manganese in batterie al litio allo stato solido.

Le batterie funzionano a ruolo vitale nel campo energetico moderno e hanno ottenuto un grande successo dispositivi elettronici portatili, veicoli elettrici e stoccaggio di energia su scala di rete applicazioni. Tuttavia, migliorando al contempo la densità energetica delle batterie, garantendo la sicurezza delle batterie è la chiave. Con la rapida crescita della domanda di migliorare la densità energetica delle batterie, la tradizionale batteria agli ioni di litio Tecnologia che si basa su materiali catodici tradizionali e organici elettroliti ha incontrato colli di bottiglia tecnici nel ciclo a lungo termine stabilità, ampio intervallo di temperature e sicurezza. Rispetto al tradizionale batterie agli ioni di litio, tutte le batterie al litio allo stato solido possono sfondare limite di densità energetica più elevato. Grazie alla sua eccellente densità energetica e sicurezza caratteristiche, è diventata anche la batteria di nuova generazione più promettente tecnologia. Nonostante ciò, i materiali catodici classici attualmente non possono soddisfare i requisiti alta densità di energia e requisiti di sicurezza del litio interamente allo stato solido batterie. I materiali catodici a base di manganese ricchi di litio sono diventati i più utilizzati promettenti materiali catodici per batterie al litio allo stato solido grazie alla loro capacità specifica di scarica: 250 mAh/g, densità di energia: 1000 Wh/kg e basso contenuto di Co e Ni.

Tuttavia, a causa di la bassa conduttività elettronica e l'evidente reazione redox irreversibile, il la struttura dell'interfaccia è gravemente degradata, il che rende il comportamento cinetico di materiali catodici a base di manganese ricchi di litio durante la carica e la scarica compromesso. Il fenomeno della fuga di ossigeno aggrava questo comportamento di guasto dell'interfaccia, portando alla decomposizione ossidativa dell'elettrolita, che a sua volta lo distrugge la stabilità dell'interfaccia tra materiali catodici a base di manganese ricchi di litio ed elettroliti.

Costruire e mantenendo un percorso di trasporto stabile del Li+ e dell'e– per il la batteria funzionante è il prerequisito per promuovere il lungo ciclo di batterie allo stato solido in condizioni pratiche. Il gruppo di ricerca può costruire un percorso Li+/eâstabile e veloce in situ presso il interfaccia materiale catodico/elettrolita solido regolando la massa/superficie struttura dell'interfaccia e design innovativo, promuovono l'attività di reazione redox di ossigeno anionico e migliora la reversibilità della reazione redox dell'anionico ossigeno sulla superficie del materiale catodico di litio completamente allo stato solido batteria a temperatura ambiente, stabilizzando così l'alta tensione solido-solido interfaccia.

Figura 1. Diagramma schematico della modifica della struttura dell'interfaccia massa/superficie strategia di progettazione di materiali catodici a base di manganese ricchi di litio

Questo studio ha proposto una strategia di sintesi in un'unica fase per ottimizzare l'interfaccia massa/superficie struttura di materiali catodici a base di manganese ricchi di litio e ha creato a materiale catodico a base di manganese ricco di litio (5W e LRMO) con una massa struttura incorporata, drogaggio W e rivestimento superficiale Li2WO4. Questa struttura migliora la stabilità strutturale complessiva del catodo a base di manganese ricco di litio materiali, migliora la cinetica di trasferimento di Li+/eâ e aumenta significativamente l'attività redox del metallo di transizione cationi e ossigeno anionico. Compensazione della carica del redox dell'ossigeno anionico in questo modo si ottengono reazioni durante il processo di carica e scarica promuovere la reversibilità delle reazioni redox degli ioni di ossigeno sulla superficie del materiali catodici a base di manganese ricchi di litio e stabilizzanti l'alta tensione interfaccia solido-solido. L'interfaccia ottimizzata garantisce carica e scarica stabilità nell'intervallo di alta tensione e mantiene un'efficiente cinetica di trasferimento Li+/e₂ per un lungo periodo di ciclo, migliorando così la tasso di utilizzo delle sostanze attive nel materiale catodico composito.

Figura 2. Evoluzione della cinetica di trasporto interfacciale di Li+ di prodotti a base di manganese ricchi di litio materiali catodici durante il primo processo di carica e scarica

Questo studio ha rivelato il processo di evoluzione dell'impedenza dell'interfaccia tra catodo a base di manganese ricco di litio e l'elettrolita mediante impedenza in situ test spettroscopici (EIS) combinati con analisi del tempo di rilassamento (DRT). IL il metodo proposto consente la visualizzazione del processo di evoluzione dell'interfaccia durante il primo processo di carica e scarica e a ciclo lungo. Lo studio profondo comprende l'evoluzione della struttura dell'interfaccia tra i ricchi di litio materiale catodico a base di manganese e l'elettrolita prima e dopo modifica. Si è scoperto che il catodo a base di manganese ricco di litio il materiale prima della modifica mostra una reazione irreversibile di ossidoriduzione dell'anione e dell'ossigeno ad alta tensione, ossidando ulteriormente l'interfaccia catodo ed elettrolita, con conseguente aumento significativo dell'impedenza e ostacolando l'interfaccia Trasmissione Li+. Al contrario, il modificato a base di manganese ricco di litio il materiale del catodo mostra una cinetica di diffusione del Li+ stabile/veloce, specialmente a a alta tensione di 4,6 V, riducendo al minimo la variazione del valore dell'impedenza interfacciale. Pertanto, viene promossa una trasmissione interfacciale Li+ più veloce e più stabile migliorare la reversibilità della reazione redox dell'ossigeno anionico. È più facile per materiali catodici compositi per ottenere applicazioni di livello industriale con a capacità superficiale di ~3 mAh/cm2 o anche superiore. A 25°C, la capacità superficiale del materiale catodico 5W&LRMO ad alto carico superficiale è pari a 0,2 Il tasso C è di circa 2,5 mAh/cm2 e il tasso di ritenzione della capacità è dell'88,1% dopo 100 cicli; ad una velocità elevata di 1 C, mostra stabilità a ciclo ultra lungo, con a tasso di mantenimento della capacità dell'84,1% dopo 1200 cicli. La ricerca fornisce una novità modo di progettare la struttura dell'interfaccia massa/superficie di materiali ricchi di litio materiali catodici a base di manganese e un modo efficace per migliorare l'energia densità di tutte le batterie al litio allo stato solido.

Il 1 ottobre, il i risultati della ricerca rilevanti sono stati pubblicati sul Journal of the American Chemical Society con il titolo Bulk/Interfacial Progettazione della struttura di catodi a base di manganese ricchi di litio per litio completamente allo stato solido Batterieâ.

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