Uncategorized

Νέος κανόνας σχεδιασμού για υπεριονικούς ημιαγωγούς υψηλής εντροπίας

Οι στερεοί ηλεκτρολύτες ιόντων λιθίου υψηλής αγωγιμότητας μπορούν να σχεδιαστούν για ηλεκτρόδια μπαταρίας πάχους χιλιοστού αυξάνοντας την πολυπλοκότητα των σύνθετων υπεριονικών κρυστάλλων τους, αναφέρουν ερευνητές στο Tokyo Tech. Αυτός ο νέος κανόνας σχεδίασης επιτρέπει τη σύνθεση ενεργών υλικών υψηλής εντροπίας διατηρώντας παράλληλα την υπεριονική αγωγιμότητά τους.

Καθώς ο κόσμος κινείται προς μια πιο πράσινη και πιο βιώσιμη ενεργειακή οικονομία, η εξάρτηση από μπαταρίες ιόντων λιθίου αναμένεται να αυξηθεί. Επιστήμονες σε όλο τον κόσμο εργάζονται για να σχεδιάσουν μικρότερες αλλά αποδοτικές μπαταρίες που μπορούν να καλύψουν τη συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για αποθήκευση ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια, οι μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης (ASSLB) έχουν προσελκύσει ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω της μοναδικής χρήσης στερεών ηλεκτρολυτών αντί των συμβατικών υγρών ηλεκτρολυτών. Οι στερεοί ηλεκτρολύτες όχι μόνο καθιστούν την μπαταρία ασφαλέστερη από διαρροές και κινδύνους πυρκαγιάς, αλλά παρέχουν επίσης ανώτερα χαρακτηριστικά ενέργειας και ισχύος. Ωστόσο, η ακαμψία τους οδηγεί σε κακή διαβροχή της επιφάνειας της καθόδου και έλλειψη ομοιογενούς παροχής ιόντων λιθίου στην κάθοδο. Αυτό, με τη σειρά του, οδηγεί σε απώλεια χωρητικότητας της μπαταρίας στερεάς κατάστασης. Το πρόβλημα γίνεται πιο έντονο σε ένα παχύ ηλεκτρόδιο καθόδου μπαταρίας όπως ένα ηλεκτρόδιο πάχους χιλιοστού, το οποίο είναι μια πιο συμφέρουσα διαμόρφωση ηλεκτροδίου για την κατασκευή μιας φθηνής θήκης μπαταρίας υψηλής πυκνότητας ενέργειας. , σε σύγκριση με ένα συμβατικό ηλεκτρόδιο με τυπικό πάχος <0,1 mm .

Ευτυχώς, μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Επιστήμη βρήκε τρόπο να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα. Η εργασία – που γράφτηκε από μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον καθηγητή Ryoji Kanno του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Τόκιο (Tokyo Tech) – περιγράφει μια νέα στρατηγική για την παραγωγή στερεών ηλεκτρολυτών με βελτιωμένη αγωγιμότητα ιόντων λιθίου. Η εργασία τους καθιερώνει έναν κανόνα σχεδιασμού για τη σύνθεση κρυστάλλων υψηλής εντροπίας υπεριονικών αγωγών λιθίου μέσω της προσέγγισης πολλαπλών υποκαταστάσεων.

«Πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι οι αγωγοί ανόργανων ιόντων τείνουν να εμφανίζουν καλύτερη αγωγιμότητα ιόντων μετά από υποκατάσταση πολλαπλών στοιχείων, πιθανώς λόγω του ισοπεδωμένου φραγμού δυνητικού της μετανάστευσης ιόντων λιθίου, το οποίο είναι απαραίτητο για καλύτερη αγωγιμότητα ιόντων», τονίζει ο καθηγητής Kanno. Εδώ ξεκίνησαν την έρευνά τους. Για το σχεδιασμό του νέου τους υλικού, η ομάδα εμπνεύστηκε από τις χημικές συνθέσεις δύο γνωστών στερεών ηλεκτρολυτών με βάση το Li: τύπου αργυρόδιτου (Li6ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ5Cl) και τύπου LGPS (LiδέκαΓΕΠ2μικρό12) υπεριονικοί κρύσταλλοι. Τροποποίησαν το LGPS τύπου Li9,54Και1,74Π1.44μικρό11.7CL0.3 με πολλαπλή υποκατάσταση και συνέθεσε μια σειρά κρυστάλλων σύνθεσης Li9,54(Και1−dΜρε)1,74Π1.44μικρό11.1BR0.3Ο0.6 (Μ = Ge, Sn, 0 ≤ δ ≤ 1).

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν κρύσταλλο με Ge = Μ και δ=0,4 ως καθολύτης σε ASSLB με κάθοδο πάχους 1 ή 0,8 χιλιοστών. Το παλαιότερο και μεταγενέστερο ASSLB διέθετε χωρητικότητα εκφόρτισης 26,4 mAh cm−2 στους 25°C (1 mm) και 17,3 mAh cm−2 στους -10°C (0,8 mm), αντίστοιχα, με χωρητικότητα ειδικής περιοχής 1,8 και 5,3 φορές μεγαλύτερη από αυτή που αναφέρεται για ASSLB τελευταίας τεχνολογίας, αντίστοιχα. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί έχουν προτείνει ότι η αυξημένη αγωγιμότητα του στερεού ηλεκτρολύτη θα μπορούσε να είναι το αποτέλεσμα της ισοπέδωσης του ενεργειακού φραγμού για τη μετανάστευση ιόντων, που προκαλείται από ένα χαμηλό βαθμό χημικής υποκατάστασης στον κρύσταλλο που αναφέρθηκε παραπάνω.

Αυτή η μελέτη προσφέρει έναν νέο τρόπο παρασκευής στερεών ηλεκτρολυτών υψηλής εντροπίας για ηλεκτρόδια χιλιοστών διατηρώντας παράλληλα τις υπεριονικές οδούς αγωγιμότητάς τους. «Πράγματι, ο προτεινόμενος κανόνας σχεδίασης θέτει μια σταθερή βάση για την εξερεύνηση νέων υπεριονικών αγωγών με ανώτερη απόδοση φορτίου-εκφόρτισης ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου», καταλήγει ο καθηγητής Kanno.