Cátodos à base de Mn ricos em lítio para baterias de lítio totalmente em estado sólido

Recentemente, A equipe do Professor Zhang Qiang do Departamento de Engenharia Química da A Universidade de Tsinghua publicou os resultados da pesquisa sobre a interface massa/superfície projeto de estrutura de materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio para baterias de lítio metálicas totalmente em estado sólido. Eles propuseram um volume/superfície in-situ estratégia de regulação da estrutura de interface, construiu um caminho Li + / eâ rápido e estável e promoveu a aplicação prática de ricos em lítio materiais catódicos à base de manganês em baterias de lítio totalmente em estado sólido.

As baterias desempenham um papel vital no campo da energia moderna e alcançaram grande sucesso em dispositivos eletrônicos portáteis, veículos elétricos e armazenamento de energia em escala de rede aplicações. No entanto, ao mesmo tempo que melhora a densidade energética das baterias, garantindo a segurança das baterias é a chave. Com o rápido crescimento da procura por melhorando a densidade de energia das baterias, a tradicional bateria de íons de lítio tecnologia que depende de materiais catódicos tradicionais e orgânicos eletrólitos encontrou gargalos técnicos no ciclo de longo prazo estabilidade, ampla faixa de temperatura e segurança. Comparado com o tradicional baterias de íon de lítio, baterias de lítio totalmente em estado sólido podem romper o limite superior de densidade de energia. Devido à sua excelente densidade energética e segurança características, também se tornou a bateria de próxima geração mais promissora tecnologia. Apesar disso, os materiais catódicos clássicos não conseguem atualmente atender aos alta densidade de energia e requisitos de segurança de lítio totalmente em estado sólido baterias. Os materiais catódicos à base de manganês, ricos em lítio, tornaram-se os mais materiais catódicos promissores para baterias de lítio totalmente em estado sólido devido à sua capacidade específica de descargaâ¥250 mAh/g, densidade de energiaâ¥1000 Wh/kg e baixo teor de Co e Ni.

No entanto, devido a a baixa condutividade eletrônica e a óbvia reação redox irreversível, o a estrutura da interface está severamente degradada, o que torna o comportamento cinético do materiais catódicos ricos em lítio à base de manganês durante carga e descarga prejudicado. O fenômeno de escape de oxigênio agrava esse comportamento de falha de interface, levando à decomposição oxidativa do eletrólito, que por sua vez destrói a estabilidade da interface entre materiais catódicos ricos em lítio à base de manganês e eletrólitos.

Construindo e mantendo um caminho estável de Li + e eâtransport para o bateria em estado de funcionamento é o pré-requisito para promover o longo ciclo de baterias totalmente de estado sólido em condições práticas. A equipe de pesquisa pode construir um caminho Li + / eâ estável e rápido in situ no interface material catódico/eletrólito sólido ajustando o volume/superfície estrutura de interface e design inovador, promovem a atividade de reação redox de oxigênio aniônico e aumenta a reversibilidade da reação redox de oxigênio aniônico oxigênio na superfície do material catódico de lítio totalmente em estado sólido bateria à temperatura ambiente, estabilizando assim a alta tensão sólido-sólido interface.

Figura 1. Diagrama esquemático da modificação da estrutura da interface em massa/superfície estratégia de projeto de materiais catódicos ricos em lítio à base de manganês

Este estudo propôs uma estratégia de síntese de uma etapa para otimizar a interface massa/superfície estrutura de materiais catódicos ricos em lítio à base de manganês e criou um material catódico rico em lítio à base de manganês (5W e LRMO) com volume estrutura embutida, dopagem W e revestimento de superfície Li2WO4. Esta estrutura aumenta a estabilidade estrutural em massa do cátodo à base de manganês rico em lítio materiais, melhora a cinética de transferência de Li+/eâ e aumenta significativamente a atividade redox do metal de transição cátions e oxigênio aniônico. Compensação de carga de redox de oxigênio aniônico reações durante o processo de carga e descarga são alcançadas, assim promovendo a reversibilidade das reações redox de íons de oxigênio na superfície do materiais catódicos à base de manganês ricos em lítio e estabilização da alta tensão interface sólido-sólido. A interface otimizada garante carga e descarga estabilidade na faixa de alta tensão e mantém uma cinética de transferência eficiente de Li + / eâ durante um longo período de ciclo, melhorando assim a taxa de utilização de substâncias ativas no material catódico composto.

Figura 2. Evolução da cinética de transporte interfacial de Li + à base de manganês rico em lítio materiais catódicos durante o primeiro processo de carga e descarga

Este estudo revelou o processo de evolução da impedância da interface entre o cátodo à base de manganês rico em lítio e o eletrólito por impedância in-situ testes de espectroscopia (EIS) combinados com análise de tempo de relaxamento (DRT). O método proposto permite a visualização do processo de evolução da interface durante a primeira carga e descarga e processo de ciclo longo. O estudo profundamente entende a evolução da estrutura de interface entre os ricos em lítio material catódico à base de manganês e o eletrólito antes e depois modificação. Verifica-se que o cátodo à base de manganês rico em lítio o material antes da modificação exibe reação redox irreversível de ânion oxigênio em alta tensão, oxidando ainda mais a interface do cátodo e do eletrólito, resultando em um aumento significativo na impedância e dificultando a interface Transmissão Li+. Em contraste, o produto modificado à base de manganês rico em lítio o material catódico exibe cinética de difusão de Li + estável/rápida, especialmente em um alta tensão de 4,6 V, minimizando a alteração no valor da impedância interfacial. Portanto, uma transmissão interfacial de Li+ mais rápida e estável é promovida por melhorando a reversibilidade da reação redox do ânion oxigênio. É mais fácil para materiais catódicos compostos para alcançar aplicações de nível industrial com um capacidade de superfície de ~3 mAh/cm2 ou até superior. A 25°C, a capacidade de superfície do material catódico 5W e LRMO de alta carga de área em 0,2 A taxa C é de cerca de 2,5 mAh/cm2 e a taxa de retenção de capacidade é de 88,1% após 100 ciclos; a uma taxa elevada de 1 C, mostra estabilidade de ciclo ultralongo, com um taxa de retenção de capacidade de 84,1% após 1200 ciclos. A pesquisa fornece uma nova maneira de projetar a estrutura de interface em massa/superfície de ricos em lítio materiais catódicos à base de manganês e uma forma eficaz de melhorar a energia densidade de baterias de lítio totalmente em estado sólido.

Em 1º de outubro, o resultados de pesquisas relevantes foram publicados no Journal of the American Chemical Society sob o títuloâBulk/Interfacial Projeto de estrutura de cátodos à base de manganês ricos em lítio para lítio totalmente em estado sólido Bateriasâ.

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