Kürzlich veröffentlichte das Team von Professor Zhang Qiang vom Fachbereich Chemieingenieurwesen der Tsinghua-Universität die Forschungsergebnisse zum Design der Grenzflächenstruktur zwischen Masse und Oberfläche von Kathodenmaterialien auf Basis von Lithium-reichem Mangan für All-Solid-State-Metall-Lithiumbatterien. Sie schlugen eine In-situ-Strategie zur Regulierung der Grenzflächenstruktur zwischen Masse und Oberfläche vor, konstruierten einen schnellen und stabilen Li+/e−-Weg und förderten die praktische Anwendung von Lithium-reichen Kathodenmaterialien auf Manganbasis in Festkörper-Lithiumbatterien.
Batterien spielen im modernen Energiebereich eine entscheidende Rolle und haben in tragbaren elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Energiespeicheranwendungen im Netzmaßstab große Erfolge erzielt. Bei der Verbesserung der Energiedichte von Batterien ist jedoch die Gewährleistung der Sicherheit der Batterien von entscheidender Bedeutung. Mit dem rasanten Anstieg der Nachfrage nach einer Verbesserung der Energiedichte von Batterien sind bei der traditionellen Lithium-Ionen-Batterietechnologie, die auf herkömmlichen Kathodenmaterialien und organischen Elektrolyten basiert, technische Engpässe in Bezug auf die langfristige Zyklenstabilität, den großen Temperaturbereich und die Sicherheit aufgetreten. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien können Festkörper-Lithiumbatterien die höhere Energiedichtegrenze durchbrechen. Aufgrund seiner hervorragenden Energiedichte und Sicherheitseigenschaften hat es sich auch zur vielversprechendsten Batterietechnologie der nächsten Generation entwickelt. Dennoch können klassische Kathodenmaterialien derzeit nicht die hohen Energiedichte- und Sicherheitsanforderungen von Festkörper-Lithiumbatterien erfüllen. Lithiumreiche Kathodenmaterialien auf Manganbasis haben sich aufgrund ihrer spezifischen Entladungskapazität von mindestens 250 mAh/g und ihrer Energiedichte von mindestens 1000 Wh/kg zu den vielversprechendsten Kathodenmaterialien für Festkörper-Lithiumbatterien entwickelt und niedriger Co- und Ni-Gehalt.
Aufgrund der geringen elektronischen Leitfähigkeit und der offensichtlichen irreversiblen Redoxreaktion wird die Grenzflächenstruktur jedoch stark beeinträchtigt, was das kinetische Verhalten von Kathodenmaterialien auf Lithium-reicher Manganbasis während des Ladens und Entladens beeinträchtigt. Das Phänomen des Sauerstoffaustritts verschärft dieses Grenzflächenversagen und führt zu einer oxidativen Zersetzung des Elektrolyten, was wiederum die Grenzflächenstabilität zwischen Kathodenmaterialien auf Lithium- und Manganbasis und Elektrolyten zerstört.
Der Aufbau und die Aufrechterhaltung eines stabilen Li+- und E-Transportpfads für die Batterie im Betriebszustand ist die Voraussetzung für die Förderung des langen Zyklus von Festkörperbatterien unter praktischen Bedingungen. Das Forschungsteam kann in situ an der Grenzfläche zwischen Kathodenmaterial und Festelektrolyt einen stabilen und schnellen Li+/e−-Weg konstruieren, indem es die Struktur der Grenzfläche zwischen Masse und Oberfläche und ein innovatives Design anpasst, die Redoxreaktionsaktivität von anionischem Sauerstoff fördert und die Reversibilität verbessert die Redoxreaktion von anionischem Sauerstoff auf der Oberfläche des Kathodenmaterials einer Festkörper-Lithiumbatterie bei Raumtemperatur, wodurch die Hochspannungs-Festkörper-Grenzfläche stabilisiert wird.
Abbildung 1. Schematische Darstellung der Modifikation der Entwurfsstrategie für die Grenzflächenstruktur zwischen Masse und Oberfläche von Kathodenmaterialien auf der Basis von Lithium-reichem Mangan
Diese Studie schlug eine einstufige Synthesestrategie zur Optimierung der Grenzflächenstruktur zwischen Masse und Oberfläche von Kathodenmaterialien auf Lithium-reicher Manganbasis vor und schuf ein Kathodenmaterial auf Lithium-reicher Manganbasis (5W&LRMO) mit einer in die Masse eingebetteten Struktur, W-Dotierung und Li2WO4-Oberflächenbeschichtung. Diese Struktur erhöht die strukturelle Stabilität von Lithium-reichen Mangan-basierten Kathodenmaterialien, verbessert die Übertragungskinetik von Li+/e− und erhöht die Redoxaktivität von Übergangsmetallkationen und anionischem Sauerstoff erheblich. Es wird eine Ladungskompensation anionischer Sauerstoff-Redoxreaktionen während des Lade- und Entladevorgangs erreicht, wodurch die Reversibilität von Sauerstoffionen-Redoxreaktionen auf der Oberfläche von Kathodenmaterialien auf Lithium-reicher Manganbasis gefördert und die Hochspannungs-Feststoff-Feststoff-Grenzfläche stabilisiert wird. Die optimierte Schnittstelle gewährleistet Lade- und Entladestabilität im Hochspannungsbereich und sorgt für eine effiziente Li+/e−-Übertragungskinetik über einen langen Zykluszeitraum, wodurch die Ausnutzungsrate aktiver Substanzen im Verbundkathodenmaterial verbessert wird.
Abbildung 2. Entwicklung der Grenzflächen-Li+-Transportkinetik von Kathodenmaterialien auf Lithium-reicher Manganbasis während des ersten Lade- und Entladevorgangs
Diese Studie enthüllte den Impedanzentwicklungsprozess der Grenzfläche zwischen der Kathode auf Lithium-reicher Manganbasis und dem Elektrolyten durch In-situ-Impedanzspektroskopie (EIS)-Tests in Kombination mit Relaxationszeitanalyse (DRT). Die vorgeschlagene Methode ermöglicht die Visualisierung des Grenzflächenentwicklungsprozesses während des ersten Lade- und Entladeprozesses sowie eines langen Zyklusprozesses. Die Studie untersucht tiefgreifend die Entwicklung der Grenzflächenstruktur zwischen dem Lithium-reichen Mangan-basierten Kathodenmaterial und dem Elektrolyten vor und nach der Modifikation. Es wurde festgestellt, dass das Lithium-reiche Kathodenmaterial auf Manganbasis vor der Modifizierung bei hoher Spannung eine irreversible Anionen-Sauerstoff-Redoxreaktion zeigt, die die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt weiter oxidiert, was zu einem deutlichen Anstieg der Impedanz führt und die Li+-Übertragung an der Grenzfläche behindert. Im Gegensatz dazu zeigt das modifizierte, lithiumreiche, manganbasierte Kathodenmaterial eine stabile/schnelle Li+-Diffusionskinetik, insbesondere bei einer hohen Spannung von 4,6 V, wodurch die Änderung des Grenzflächenimpedanzwerts minimiert wird. Daher wird eine schnellere und stabilere Li+-Übertragung an der Grenzfläche durch die Verbesserung der Reversibilität der Anion-Sauerstoff-Redoxreaktion gefördert. Mit Verbundkathodenmaterialien ist es einfacher, Anwendungen in Industriequalität mit einer Oberflächenkapazität von ~3 mAh/cm2 oder sogar mehr zu erreichen. Bei 25 Grad beträgt die Oberflächenkapazität des 5W&LRMO-Kathodenmaterials mit hoher Flächenlast bei einer Rate von 0,2 °C etwa 2,5 mAh/cm2, und die Kapazitätserhaltungsrate beträgt 88,1 % nach 100 Zyklen; Bei einer hohen Rate von 1 °C zeigt es eine extrem lange Zyklenstabilität mit einer Kapazitätserhaltungsrate von 84,1 % nach 1200 Zyklen. Die Forschung bietet eine neue Möglichkeit, die Grenzflächenstruktur zwischen Masse und Oberfläche von Kathodenmaterialien auf Basis von Lithium-reichem Mangan zu entwerfen und eine wirksame Möglichkeit zur Verbesserung der Energiedichte von Festkörper-Lithiumbatterien.
Am 1. Oktober wurden die entsprechenden Forschungsergebnisse im Journal of the American Chemical Society unter dem Titel „Bulk/Interfacial Structure Design of Li-Rich Mn-Based Cathodes for All-Solid-State Lithium Batteries“ veröffentlicht.
TOB NEUE ENERGIEBietet einen vollständigen Satz vonLösungen für Festkörperbatterien, einschließlichMaterialien für Festkörperbatterien, Festkörperbatterieausrüstung undProduktionslinie für FestkörperbatterienLösungen.
