Abuztuaren 21ean, Txinako Zientzia eta Teknologia Unibertsitateko (USTC) MA Cheng irakasleak eta bere kolaboratzaileek hurrengo belaunaldiko Li bateria solidoen garapena mugatzen duen elektrodo-elektrolito kontaktu arazoa konpontzeko estrategia eraginkor bat proposatu zuten. Horrela sortutako solido-solido konposite elektrodoak gaitasun eta abiadura errendimendu bikainak erakutsi zituen.
Ohiko Li-ioi baterietan elektrolito likido organikoa elektrolito solidoekin ordezkatzeak segurtasun arazoak asko arindu ditzake, eta energia-dentsitatea hobetzeko "kristalezko sabaia" hautsi dezake. Hala ere, elektrodo-material nagusiak ere solidoak dira. Bi solidoren arteko kontaktua solidoaren eta likidoaren artekoa bezain estua izatea ia ezinezkoa denez, gaur egun elektrolito solidoetan oinarritutako bateriek elektrodo-elektrolito kontaktu eskasa eta zelula osoen errendimendu ez-asegarria erakusten dute normalean.
«Egoera solidoko baterien elektrodo-elektrolito kontaktu arazoa upel baten haga motzenaren antzekoa da neurri batean», esan zuen USTCko MA Cheng irakasleak, ikerketaren egile nagusiak. «Egia esan, urte hauetan ikertzaileek elektrodo eta elektrolito solido bikain asko garatu dituzte dagoeneko, baina haien arteko kontaktu eskasak oraindik ere mugatzen du Li-ioi garraioaren eraginkortasuna».
Zorionez, MAren estrategiak erronka handi hau gainditu dezake. Ikerketa prototipo bateko perovskita egituradun elektrolito solido bateko ezpurutasun-fase baten atomo-atomo azterketarekin hasi zen. Kristal-egitura ezpurutasunaren eta elektrolito solidoaren artean oso desberdina bazen ere, interfaze epitaxialak eratzen zituztela ikusi zen. Egitura- eta kimika-analisi zehatz batzuk egin ondoren, ikertzaileek aurkitu zuten ezpurutasun-fasea isostrukturala dela Li aberatsak diren geruzadun elektrodoekin. Hau da, prototipo elektrolito solido bat errendimendu handiko elektrodo baten egitura atomikoak eratutako "txantiloian" kristaliza daiteke, eta horrek interfaze atomikoki estuagoak sortzen ditu.
«Benetako sorpresa bat da hau», esan zuen lehen egileak, LI Fuzhenek, gaur egun USTCko graduondoko ikaslea denak. «Materialean ezpurutasunak egotea oso fenomeno ohikoa da, hain ohikoa ezen gehienetan alde batera uzten baitira. Hala ere, arretaz aztertu ondoren, ustekabeko portaera epitaxial hau aurkitu genuen, eta zuzenean inspiratu zuen solido-solido kontaktua hobetzeko gure estrategia».
Ohiko prentsa hotzean oinarritutako metodoarekin alderatuta, ikertzaileek proposatutako estrategiak elektrolito solidoen eta elektrodoen arteko kontaktu sakon eta ezin hobea lor dezake eskala atomikoan, mikroskopia elektronikoaren bereizmen atomikoko irudian islatzen den bezala. (MAren taldeak emana.)
Behatutako fenomenoa aprobetxatuz, ikertzaileek nahita kristalizatu zuten hauts amorfoa perovskita-egituradun elektrolito solidoaren konposizio berdinarekin Li aberatsa den konposatu geruzatu baten gainazalean, eta bi material solido hauen arteko kontaktu sakon eta ezin hobea lortu zuten elektrodo konposatu batean. Elektrodo-elektrolito kontaktuaren arazoa konponduta, solido-solido elektrodo konposatu horrek solido-likido elektrodo konposatu baten abiadura-gaitasuna ere eman zuen. Garrantzitsuagoa dena, ikertzaileek aurkitu zuten solido-solido kontaktu epitaxial mota honek sare-desadostasun handiak onartu ditzakeela, eta, beraz, proposatutako estrategia beste perovskita elektrolito solido eta elektrodo geruzatu askorentzat ere aplikagarria izan liteke.
«Lan honek jarraitzeko moduko norabide bat erakutsi du», esan zuen MAk. «Hemen planteatutako printzipioa beste material garrantzitsu batzuei aplikatzeak zelulen errendimendu are hobeak eta zientzia interesgarriagoa ekar ditzake. Horren zain gaude».
Ikertzaileek norabide horretan esploratzen jarraitzeko asmoa dute, eta proposatutako estrategia beste katodo batzuei aplikatu ahal izateko ahalmen eta potentzial handikoei.
Ikerketa Matter aldizkarian argitaratu zen, Cell Press aldizkari nagusiarena, “Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries” izenburupean. Lehenengo egilea LI Fuzhen da, USTCko graduondoko ikaslea. MA Cheng irakaslearen kolaboratzaileen artean daude Tsinghua Unibertsitateko NAN Ce-Wen irakaslea eta Ames Laborategiko ZHOU Lin doktorea.
(Kimika eta Material Zientzien Eskola)
Paperaren esteka: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Argitaratze data: 2019ko ekainak 3