Il 21 agosto, il Prof. MA Cheng dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) e i suoi collaboratori hanno proposto una strategia efficace per affrontare il problema del contatto elettrodo-elettrolita che sta limitando lo sviluppo di batterie al litio allo stato solido di nuova generazione. L'elettrodo composito solido-solido creato in questo modo ha mostrato capacità e prestazioni eccezionali.
Sostituire l'elettrolita liquido organico nelle batterie agli ioni di litio convenzionali con elettroliti solidi può ridurre notevolmente i problemi di sicurezza e potenzialmente superare il "soffitto di cristallo" per il miglioramento della densità energetica. Tuttavia, anche i materiali degli elettrodi più diffusi sono solidi. Poiché il contatto tra due solidi è quasi impossibile che sia così intimo come quello tra solido e liquido, attualmente le batterie basate su elettroliti solidi presentano tipicamente uno scarso contatto elettrodo-elettrolita e prestazioni insoddisfacenti a cella intera.
"Il problema del contatto elettrodo-elettrolita nelle batterie allo stato solido è un po' come la doga più corta di una botte di legno", ha affermato il Prof. MA Cheng dell'USTC, autore principale dello studio. "In realtà, nel corso degli anni i ricercatori hanno già sviluppato molti elettrodi ed elettroliti solidi eccellenti, ma il contatto inadeguato tra loro continua a limitare l'efficienza del trasporto degli ioni di litio".
Fortunatamente, la strategia di MA potrebbe superare questa formidabile sfida. Lo studio è iniziato con l'esame atomo per atomo di una fase di impurità in un prototipo di elettrolita solido a struttura perovskite. Sebbene la struttura cristallina differisse notevolmente tra l'impurità e l'elettrolita solido, si è osservata la formazione di interfacce epitassiali. Dopo una serie di analisi strutturali e chimiche dettagliate, i ricercatori hanno scoperto che la fase di impurità è isostrutturale con gli elettrodi stratificati ricchi di litio ad alta capacità. Ciò significa che un prototipo di elettrolita solido può cristallizzare sul "template" formato dalla struttura atomica di un elettrodo ad alte prestazioni, dando luogo a interfacce atomicamente intime.
"Questa è davvero una sorpresa", ha affermato il primo autore LI Fuzhen, attualmente studente laureato presso l'USTC. "La presenza di impurità nel materiale è in realtà un fenomeno molto comune, così comune che il più delle volte viene ignorato. Tuttavia, dopo averle osservate attentamente, abbiamo scoperto questo inaspettato comportamento epitassiale, che ha direttamente ispirato la nostra strategia per migliorare il contatto solido-solido".
Rispetto all'approccio di spremitura a freddo comunemente adottato, la strategia proposta dai ricercatori può realizzare un contatto completo e senza soluzione di continuità tra elettroliti solidi ed elettrodi su scala atomica, come riflesso nell'immagine di microscopia elettronica a risoluzione atomica. (Fornita dal team di MA.)
Sfruttando il fenomeno osservato, i ricercatori hanno intenzionalmente cristallizzato la polvere amorfa con la stessa composizione dell'elettrolita solido a struttura perovskite sulla superficie di un composto stratificato ricco di litio, realizzando con successo un contatto completo e senza soluzione di continuità tra questi due materiali solidi in un elettrodo composito. Risolto il problema del contatto elettrodo-elettrolita, un tale elettrodo composito solido-solido ha fornito una capacità di velocità persino paragonabile a quella di un elettrodo composito solido-liquido. Ancora più importante, i ricercatori hanno anche scoperto che questo tipo di contatto solido-solido epitassiale può tollerare grandi disallineamenti reticolari, e quindi la strategia da loro proposta potrebbe essere applicabile anche a molti altri elettroliti solidi a base di perovskite ed elettrodi stratificati.
"Questo lavoro ha indicato una direzione che vale la pena perseguire", ha affermato MA. "Applicare il principio qui sollevato ad altri materiali importanti potrebbe portare a prestazioni cellulari ancora migliori e a risultati scientifici più interessanti. Non vediamo l'ora di iniziare."
I ricercatori intendono proseguire le loro ricerche in questa direzione e applicare la strategia proposta ad altri catodi ad alta capacità e ad alto potenziale.
Lo studio è stato pubblicato su Matter, rivista di punta di Cell Press, con il titolo "Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries". Il primo autore è LI Fuzhen, uno studente laureato dell'USTC. Tra i collaboratori del Prof. MA Cheng figurano il Prof. NAN Ce-Wen della Tsinghua University e il Dott. ZHOU Lin dell'Ames Laboratory.
(Facoltà di Chimica e Scienze dei Materiali)
Collegamento al documento: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Data di pubblicazione: 03-06-2019