Li-reiche Mn-basierte Kathoden für Festkörper-Lithiumbatterien

Kürzlich Das Team von Professor Zhang Qiang vom Fachbereich Chemieingenieurwesen bei Die Tsinghua-Universität veröffentlichte die Forschungsergebnisse zur Grenzfläche Masse/Oberfläche Strukturdesign von Lithium-reichen Mangan-basierten Kathodenmaterialien für Festkörper-Lithium-Metallbatterien. Sie schlugen eine In-situ-Masse/Oberfläche vor Strategie zur Regulierung der Grenzflächenstruktur, Aufbau eines schnellen und stabilen Li+/eâ-Weges und Förderung der praktischen Anwendung von Lithium-reichen Manganbasierte Kathodenmaterialien in Festkörper-Lithiumbatterien.

Batterien spielen eine Rolle spielen eine wichtige Rolle im modernen Energiebereich und haben dort große Erfolge erzielt tragbare elektronische Geräte, Elektrofahrzeuge und Energiespeicher im Netzmaßstab Anwendungen. Allerdings wird gleichzeitig die Energiedichte von Batterien verbessert und sichergestellt Die Sicherheit von Batterien ist der Schlüssel. Mit dem rasanten Wachstum der Nachfrage nach Verbesserung der Energiedichte von Batterien, der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie Technologie, die auf traditionellen und organischen Kathodenmaterialien basiert Elektrolyte sind im Langzeitzyklus auf technische Engpässe gestoßen Stabilität, großer Temperaturbereich und Sicherheit. Im Vergleich zu traditionell Lithium-Ionen-Batterien, All-Solid-State-Lithium-Batterien können durchbrechen höhere Energiedichtegrenze. Aufgrund seiner hervorragenden Energiedichte und Sicherheit Eigenschaften, es ist auch die vielversprechendste Batterie der nächsten Generation geworden Technologie. Dennoch können klassische Kathodenmaterialien diese Anforderungen derzeit nicht erfüllen hohe Energiedichte und Sicherheitsanforderungen von All-Solid-State-Lithium Batterien. Lithiumreiche Kathodenmaterialien auf Manganbasis haben sich durchgesetzt Aufgrund ihrer Eigenschaften sind sie vielversprechende Kathodenmaterialien für Festkörper-Lithiumbatterien Entladungsspezifische Kapazität: 250 mAh/g, Energiedichte: 1000 Wh/kg und niedriger Co- und Ni-Gehalt.

Allerdings aufgrund die geringe elektronische Leitfähigkeit und die offensichtliche irreversible Redoxreaktion, die Die Grenzflächenstruktur wird stark beeinträchtigt, was das kinetische Verhalten beeinträchtigt Lithiumreiche Kathodenmaterialien auf Manganbasis während des Ladens und Entladens beeinträchtigt. Das Phänomen des Sauerstoffaustritts verschlimmert dieses Verhalten bei Schnittstellenfehlern. Dies führt zu einer oxidativen Zersetzung des Elektrolyten, der wiederum zerstört die Grenzflächenstabilität zwischen lithiumreichen Kathodenmaterialien auf Manganbasis und Elektrolyte.

Konstruieren und Aufrechterhaltung eines stabilen Li+- und E-Transportpfads für die Der betriebsbereite Akku ist die Voraussetzung für die Förderung eines langen Zyklus Festkörperbatterien unter Praxisbedingungen. Das Forschungsteam kann Konstruieren Sie einen stabilen und schnellen Li+/eâ-Weg in situ am Kathodenmaterial/Festelektrolyt-Grenzfläche durch Anpassen der Masse/Oberfläche Schnittstellenstruktur und innovatives Design fördern die Redoxreaktionsaktivität von anionischem Sauerstoff und verbessern die Reversibilität der Redoxreaktion von anionischem Sauerstoff Sauerstoff auf der Oberfläche des Kathodenmaterials aus festem Lithium Batterie bei Raumtemperatur, wodurch die Hochspannung fest-fest stabilisiert wird Schnittstelle.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Modifikation der Grenzflächenstruktur zwischen Masse und Oberfläche Designstrategie für Lithium-reiche, manganbasierte Kathodenmaterialien

Diese Studie schlugen eine einstufige Synthesestrategie zur Optimierung der Grenzfläche zwischen Volumen und Oberfläche vor Struktur von Lithium-reichen Kathodenmaterialien auf Manganbasis und erstellte eine Lithiumreiches Kathodenmaterial auf Manganbasis (5W&LRMO) mit Volumen eingebettete Struktur, W-Dotierung und Li2WO4-Oberflächenbeschichtung. Diese Struktur Verbessert die strukturelle Stabilität der Lithium-reichen Mangan-basierten Kathode Materialien, verbessert die Übertragungskinetik von Li+/eâ und erhöht die Redoxaktivität von Übergangsmetallen erheblich Kationen und anionischer Sauerstoff. Ladungskompensation von anionischem Sauerstoffredox Dadurch werden Reaktionen während des Lade- und Entladevorgangs erreicht Förderung der Reversibilität von Sauerstoffionen-Redoxreaktionen auf der Oberfläche von Lithiumreiche Kathodenmaterialien auf Manganbasis und Stabilisierung der Hochspannung Solid-Solid-Schnittstelle. Die optimierte Schnittstelle gewährleistet das Laden und Entladen Stabilität im Hochspannungsbereich und sorgt für eine effiziente Li+/eâ-Übertragungskinetik über einen langen Zykluszeitraum, wodurch die verbessert wird Ausnutzungsgrad der aktiven Substanzen im Verbundkathodenmaterial.

Abbildung 2. Entwicklung der Li+-Transportkinetik an der Grenzfläche von lithiumreichem Mangan Kathodenmaterialien während des ersten Lade- und Entladevorgangs

Diese Studie enthüllte den Impedanzentwicklungsprozess der Schnittstelle zwischen den Lithiumreiche Kathode auf Manganbasis und der Elektrolyt durch In-situ-Impedanz Spektroskopie (EIS)-Tests kombiniert mit Relaxationszeitanalyse (DRT). Der Die vorgeschlagene Methode ermöglicht die Visualisierung des Schnittstellenentwicklungsprozesses während der erste Lade- und Entladevorgang und ein langer Zyklus. Die Studie tief versteht die Entwicklung der Grenzflächenstruktur zwischen den Lithium-reichen Manganbasiertes Kathodenmaterial und der Elektrolyt davor und danach Änderung. Es wurde festgestellt, dass die Lithium-reiche Kathode auf Manganbasis ist Das Material zeigt vor der Modifikation eine irreversible Anionen-Sauerstoff-Redoxreaktion bei hoher Spannung wird die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt weiter oxidiert, Dies führt zu einem deutlichen Anstieg der Impedanz und behindert die Grenzfläche Li+-Übertragung. Im Gegensatz dazu ist das modifizierte Lithium reich an Mangan Kathodenmaterial weist eine stabile/schnelle Li+-Diffusionskinetik auf, insbesondere bei a Hochspannung von 4,6 V, wodurch die Änderung des Grenzflächenimpedanzwerts minimiert wird. Daher wird eine schnellere und stabilere Li+-Übertragung an der Grenzfläche gefördert Verbesserung der Reversibilität der Anionen-Sauerstoff-Redoxreaktion. Es ist einfacher für Verbundkathodenmaterialien zur Erzielung industrietauglicher Anwendungen mit a Oberflächenkapazität von ~3 mAh/cm2 oder sogar höher. Bei 25°C, die Oberflächenkapazität des hochflächenlastigen 5W&LRMO-Kathodenmaterials bei 0,2 Die C-Rate beträgt etwa 2,5 mAh/cm2 und die Kapazitätserhaltungsrate beträgt 88,1 % nach 100 Zyklen; Bei einer hohen Temperatur von 1 °C zeigt es eine extrem lange Zyklenstabilität mit a Kapazitätserhaltungsrate von 84,1 % nach 1200 Zyklen. Die Forschung liefert ein neues Möglichkeit, die Massen-/Oberflächen-Grenzflächenstruktur von Lithium-reich zu gestalten Manganbasierte Kathodenmaterialien und eine wirksame Möglichkeit zur Verbesserung der Energie Dichte von Festkörper-Lithiumbatterien.

Am 1. Oktober wurde die Relevante Forschungsergebnisse wurden im Journal of the American veröffentlicht Chemical Society unter dem Titel „Bulk/Interfacial Strukturdesign von Li-reichen Mn-basierten Kathoden für All-Solid-State-Lithium Batterienâ.

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