في الآونة الأخيرة، نشر فريق البروفيسور تشانغ تشيانغ من قسم الهندسة الكيميائية في جامعة تسينغهوا نتائج البحث حول تصميم هيكل الواجهة السائبة/السطحية لمواد الكاثود القائمة على المنغنيز الغنية بالليثيوم لبطاريات الليثيوم المعدنية ذات الحالة الصلبة بالكامل. لقد اقترحوا استراتيجية تنظيم هيكل الواجهة السائبة/السطحية في الموقع، وقاموا ببناء مسار Li+/e− سريع ومستقر، وشجعوا التطبيق العملي لمواد الكاثود القائمة على المنغنيز الغنية بالليثيوم في بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل.
تلعب البطاريات دورًا حيويًا في مجال الطاقة الحديثة وقد حققت نجاحًا كبيرًا في الأجهزة الإلكترونية المحمولة والمركبات الكهربائية وتطبيقات تخزين الطاقة على نطاق الشبكة. ومع ذلك، مع تحسين كثافة طاقة البطاريات، فإن ضمان سلامة البطاريات هو المفتاح. مع النمو السريع للطلب على تحسين كثافة طاقة البطاريات، واجهت تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون التقليدية التي تعتمد على مواد الكاثود التقليدية والإلكتروليتات العضوية اختناقات فنية في استقرار الدورة على المدى الطويل، ونطاق درجة الحرارة الواسع، والسلامة. بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، يمكن لبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل اختراق الحد الأعلى لكثافة الطاقة. نظرًا لكثافة الطاقة الممتازة وخصائص السلامة، فقد أصبحت أيضًا تكنولوجيا البطاريات من الجيل التالي الواعدة. على الرغم من ذلك، لا تستطيع مواد الكاثود الكلاسيكية حاليًا تلبية كثافة الطاقة العالية ومتطلبات السلامة الخاصة ببطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة. أصبحت مواد الكاثود الغنية بالليثيوم والمنغنيز من أكثر مواد الكاثود الواعدة لبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل نظرًا لقدرتها المحددة على التفريغ التي تزيد عن أو تساوي 250 مللي أمبير/جرام، وكثافة الطاقة أكبر من أو تساوي 1000 وات ساعة/كجم ومحتوى منخفض من ثاني أكسيد الكربون والنيكل.
ومع ذلك، بسبب الموصلية الإلكترونية المنخفضة وتفاعل الأكسدة والاختزال الذي لا رجعة فيه، يتدهور هيكل الواجهة بشدة، مما يجعل السلوك الحركي لمواد الكاثود الغنية بالمنغنيز الغنية بالليثيوم أثناء الشحن والتفريغ ضعيفًا. تؤدي ظاهرة هروب الأكسجين إلى تفاقم سلوك فشل الواجهة هذا، مما يؤدي إلى التحلل التأكسدي للكهارل، والذي بدوره يدمر استقرار الواجهة بين مواد الكاثود الغنية بالمنجنيز والغنية بالليثيوم والكهارل.
يعد إنشاء وصيانة مسار نقل Li+ وe−مستقر للبطارية في حالة العمل شرطًا أساسيًا لتعزيز الدورة الطويلة لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل في ظل ظروف عملية. يمكن لفريق البحث إنشاء مسار Li+/e− مستقر وسريع في الموقع في واجهة مادة الكاثود/الإلكتروليت الصلب عن طريق ضبط هيكل الواجهة السائبة/السطحية والتصميم المبتكر، وتعزيز نشاط تفاعل الأكسدة والاختزال للأكسجين الأنيوني، وتعزيز قابلية عكس تفاعل الأكسدة والاختزال للأكسجين الأنيوني على سطح مادة الكاثود لبطارية الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل في درجة حرارة الغرفة، وبالتالي تثبيت الواجهة الصلبة والصلبة عالية الجهد.
الشكل 1. رسم تخطيطي لتعديل استراتيجية تصميم هيكل الواجهة السائبة/السطحية لمواد الكاثود الغنية بالمنغنيز والغنية بالليثيوم
اقترحت هذه الدراسة استراتيجية توليف من خطوة واحدة لتحسين بنية الواجهة السائبة/السطحية لمواد الكاثود الغنية بالمنغنيز والغنية بالليثيوم، وإنشاء مادة كاثود غنية بالليثيوم والمنغنيز (5W&LRMO) مع بنية مدمجة ضخمة، وتنشيط W و طلاء السطح Li2WO4. يعزز هذا الهيكل الاستقرار الهيكلي بالجملة لمواد الكاثود الغنية بالمنغنيز الغنية بالليثيوم، ويحسن حركية نقل Li +/e−، ويعزز بشكل كبير نشاط الأكسدة والاختزال في الكاتيونات المعدنية الانتقالية والأكسجين الأنيوني. يتم تحقيق تعويض الشحن لتفاعلات الأكسدة والاختزال للأكسجين الأنيوني أثناء عملية الشحن والتفريغ، وبالتالي تعزيز إمكانية عكس تفاعلات الأكسدة والاختزال لأيون الأكسجين على سطح مواد الكاثود القائمة على المنغنيز الغنية بالليثيوم وتحقيق استقرار الواجهة الصلبة والصلبة عالية الجهد. تضمن الواجهة المُحسّنة استقرار الشحن والتفريغ في نطاق الجهد العالي وتحافظ على حركية نقل Li+/e− الفعالة على مدار فترة دورة طويلة، وبالتالي تحسين معدل استخدام المواد الفعالة في مادة الكاثود المركبة.
الشكل 2. تطور حركية نقل Li+ بينية لمواد الكاثود الغنية بالمنغنيز والغنية بالليثيوم أثناء عملية الشحن والتفريغ الأولى
كشفت هذه الدراسة عن عملية تطور المعاوقة للواجهة بين الكاثود القائم على المنغنيز الغني بالليثيوم والكهارل عن طريق اختبار التحليل الطيفي للمقاومة في الموقع (EIS) مع تحليل وقت الاسترخاء (DRT). تتيح الطريقة المقترحة تصور عملية تطور الواجهة أثناء عملية الشحن والتفريغ الأولى والدورة الطويلة. تتفهم الدراسة بعمق تطور بنية الواجهة بين مادة الكاثود الغنية بالمنغنيز والغنية بالليثيوم والكهارل قبل التعديل وبعده. لقد وجد أن مادة الكاثود الغنية بالمنغنيز قبل التعديل تظهر تفاعل أكسدة واختزال أنيون لا رجعة فيه عند الجهد العالي، مما يزيد من أكسدة واجهة الكاثود والكهارل، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في المعاوقة وإعاقة انتقال Li+ البيني. في المقابل، تُظهر مادة الكاثود المعدلة الغنية بالمنغنيز والغنية بالليثيوم حركية نشر Li+ مستقرة/سريعة، خاصة عند الجهد العالي البالغ 4.6 فولت، مما يقلل من التغير في قيمة المعاوقة البينية. لذلك، يتم تعزيز انتقال Li + البيني الأسرع والأكثر استقرارًا من خلال تحسين إمكانية عكس تفاعل الأكسدة والاختزال للأكسجين. من الأسهل على مواد الكاثود المركبة تحقيق تطبيقات من الدرجة الصناعية بسعة سطحية تصل إلى ~3 مللي أمبير/سم2 أو أعلى. عند 25 درجة، تبلغ السعة السطحية لمادة الكاثود 5W&LRMO ذات التحميل العالي عند 0.2 C حوالي 2.5 مللي أمبير/سم2، ويبلغ معدل الاحتفاظ بالسعة 88.1% بعد 100 دورة؛ عند معدل مرتفع يبلغ 1 درجة مئوية، فإنه يُظهر ثبات الدورة الطويلة للغاية، مع معدل الاحتفاظ بالقدرة بنسبة 84.1% بعد 1200 دورة. يوفر البحث طريقة جديدة لتصميم هيكل الواجهة السائبة/السطحية لمواد الكاثود القائمة على المنغنيز الغنية بالليثيوم وطريقة فعالة لتحسين كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل.
في الأول من أكتوبر، نُشرت نتائج الأبحاث ذات الصلة في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية تحت عنوان "تصميم الهياكل السائبة/البينية للكاثودات القائمة على الليثيوم الغنية بالمنجنيز لبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل".
توب نيو إنرجييوفر مجموعة كاملة منحلول بطاريات الحالة الصلبة، مشتملمواد بطارية الحالة الصلبة، ومعدات البطاريات ذات الحالة الصلبة، وخط إنتاج البطاريات الصلبةالحلول.
