Ar Awst 21ain, cynigiodd yr Athro MA Cheng o Brifysgol Gwyddoniaeth a Thechnoleg Tsieina (USTC) a'i gydweithwyr strategaeth effeithiol i fynd i'r afael â'r broblem cyswllt electrod-electrolyt sy'n cyfyngu ar ddatblygiad batris Li cyflwr solid y genhedlaeth nesaf. Dangosodd yr electrod cyfansawdd solid-solid a grëwyd fel hyn gapasiti a pherfformiadau cyfradd eithriadol.
Gall disodli'r electrolyt hylif organig mewn batris Li-ion confensiynol gydag electrolytau solet leddfu'r problemau diogelwch yn fawr, ac o bosibl torri'r "nenfwd gwydr" ar gyfer gwella dwysedd ynni. Fodd bynnag, mae deunyddiau electrod prif ffrwd hefyd yn solidau. Gan fod y cyswllt rhwng dau solid bron yn amhosibl bod mor agos â'r cyswllt rhwng solid a hylif, ar hyn o bryd mae'r batris sy'n seiliedig ar electrolytau solet fel arfer yn arddangos cyswllt electrod-electrolyt gwael a pherfformiadau cell lawn anfoddhaol.
“Mae’r broblem cyswllt electrod-electrolyt mewn batris cyflwr solid braidd yn debyg i’r ffon fyrraf mewn casgen bren,” meddai’r Athro MA Cheng o USTC, prif awdur yr astudiaeth. “Mewn gwirionedd, dros y blynyddoedd hyn mae ymchwilwyr eisoes wedi datblygu llawer o electrodau ac electrolytau solid rhagorol, ond mae’r cyswllt gwael rhyngddynt yn dal i gyfyngu ar effeithlonrwydd cludo Li-ion.”
Yn ffodus, gall strategaeth MA oresgyn yr her aruthrol hon. Dechreuodd yr astudiaeth gydag archwiliad atom wrth atom o gyfnod amhuredd mewn electrolyt solet prototeip, wedi'i strwythuro â pherovskit. Er bod strwythur y grisial yn wahanol iawn rhwng yr amhuredd a'r electrolyt solet, gwelwyd eu bod yn ffurfio rhyngwynebau epitacsial. Ar ôl cyfres o ddadansoddiadau strwythurol a chemegol manwl, darganfu ymchwilwyr fod y cyfnod amhuredd yn isostrwythurol gyda'r electrodau haenog cyfoethog mewn Li capasiti uchel. Hynny yw, gall electrolyt solet prototeip grisialu ar y "templed" a ffurfir gan fframwaith atomig electrod perfformiad uchel, gan arwain at ryngwynebau agos yn atomig.
“Mae hyn yn syndod go iawn,” meddai’r awdur cyntaf LI Fuzhen, sydd ar hyn o bryd yn fyfyriwr graddedig yn USTC. “Mae presenoldeb amhureddau yn y deunydd mewn gwirionedd yn ffenomen gyffredin iawn, mor gyffredin fel y byddant yn cael eu hanwybyddu’r rhan fwyaf o’r amser. Fodd bynnag, ar ôl edrych yn fanwl arnynt, fe wnaethom ddarganfod yr ymddygiad epitacsial annisgwyl hwn, ac fe ysbrydolodd yn uniongyrchol ein strategaeth ar gyfer gwella’r cyswllt solid-solid.”
O'i gymharu â'r dull gwasgu oer a fabwysiadir yn gyffredin, gall y strategaeth a gynigiwyd gan yr ymchwilwyr wireddu cyswllt trylwyr, di-dor rhwng electrolytau solet ac electrodau ar y raddfa atomig, fel yr adlewyrchir yn y ddelwedd microsgopeg electron cydraniad atomig. (Wedi'i ddarparu gan dîm MA.)
Gan fanteisio ar y ffenomen a welwyd, crisialwyd y powdr amorffaidd yn fwriadol gyda'r un cyfansoddiad â'r electrolyt solet strwythuredig perovskit ar wyneb cyfansoddyn haenog cyfoethog mewn Li, a llwyddon nhw i wireddu cyswllt trylwyr, di-dor rhwng y ddau ddeunydd solet hyn mewn electrod cyfansawdd. Gyda'r mater cyswllt electrod-electrolyt wedi'i fynd i'r afael â'r broblem cyswllt electrod-electrolyt, cyflwynodd electrod cyfansawdd solid-solet o'r fath allu cyfradd a oedd hyd yn oed yn gymharol â'r hyn a geir o electrod cyfansawdd solid-hylif. Yn bwysicach fyth, canfu'r ymchwilwyr hefyd y gallai'r math hwn o gyswllt solid-solet epitacsial oddef anghydweddiadau dellt mawr, ac felly gallai'r strategaeth a gynigiasant fod yn berthnasol hefyd i lawer o electrolytau solet perovskit eraill ac electrodau haenog.
“Nododd y gwaith hwn gyfeiriad sy’n werth ei ddilyn,” meddai MA. “Gallai cymhwyso’r egwyddor a godwyd yma i ddeunyddiau pwysig eraill arwain at berfformiadau celloedd hyd yn oed yn well a gwyddoniaeth fwy diddorol. Rydym yn edrych ymlaen ato.”
Mae'r ymchwilwyr yn bwriadu parhau â'u harchwiliad i'r cyfeiriad hwn, a chymhwyso'r strategaeth arfaethedig i gatodau capasiti uchel a photensial uchel eraill.
Cyhoeddwyd yr astudiaeth ar Matter, cyfnodolyn blaenllaw Cell Press, o'r enw “Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries”. Yr awdur cyntaf yw LI Fuzhen, myfyriwr graddedig yn USTC. Mae cydweithwyr yr Athro MA Cheng yn cynnwys yr Athro NAN Ce-Wen o Brifysgol Tsinghua a Dr. ZHOU Lin o Labordy Ames.
(Ysgol Cemeg a Gwyddorau Deunyddiau)
Dolen y papur: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Amser postio: Mehefin-03-2019