Cathodes à base de Li-riche en Mn pour batteries au lithium entièrement solides

Récemment, L'équipe du professeur Zhang Qiang du Département de génie chimique de L'Université Tsinghua a publié les résultats de la recherche sur l'interface masse/surface conception de la structure de matériaux cathodiques à base de manganèse riches en lithium pour piles au lithium métalliques entièrement solides. Ils ont proposé une méthode volume/surface in situ stratégie de régulation de la structure d'interface, construit une voie Li+/eâ rapide et stable et promu l'application pratique des matériaux riches en lithium Matériaux cathodiques à base de manganèse dans les batteries au lithium entièrement solides.

Les piles jouent un rôle rôle vital dans le domaine énergétique moderne et ont obtenu de grands succès dans appareils électroniques portables, véhicules électriques et stockage d’énergie à l’échelle du réseau candidatures. Cependant, tout en améliorant la densité énergétique des batteries, en garantissant la sécurité des piles est la clé. Avec la croissance rapide de la demande de améliorant la densité énergétique des batteries, la batterie lithium-ion traditionnelle technologie qui s'appuie sur des matériaux cathodiques traditionnels et organiques les électrolytes ont rencontré des goulots d'étranglement techniques dans le cycle à long terme stabilité, large plage de température et sécurité. Par rapport au traditionnel Batteries lithium-ion, les batteries au lithium entièrement solides peuvent traverser le limite de densité énergétique plus élevée. Grâce à son excellente densité énergétique et sa sécurité caractéristiques, elle est également devenue la batterie de nouvelle génération la plus prometteuse technologie. Malgré cela, les matériaux cathodiques classiques ne peuvent actuellement pas répondre aux densité énergétique élevée et exigences de sécurité du lithium entièrement solide piles. Les matériaux cathodiques à base de manganèse riches en lithium sont devenus les plus matériaux cathodiques prometteurs pour les batteries au lithium entièrement solides en raison de leur capacité spécifique de décharge : 250 mAh/g, densité énergétique : 1 000 Wh/kg et faible teneur en Co et Ni.

Cependant, en raison de la faible conductivité électronique et la réaction redox irréversible évidente, le La structure de l'interface est gravement dégradée, ce qui rend le comportement cinétique de matériaux cathodiques à base de manganèse riches en lithium pendant la charge et la décharge altéré. Le phénomène de fuite d'oxygène exacerbe ce comportement de défaillance d'interface, conduisant à une décomposition oxydative de l’électrolyte, qui à son tour détruit la stabilité de l'interface entre les matériaux cathodiques à base de manganèse riches en lithium et électrolytes.

Construire et maintenir un chemin de transport stable pour Li+ et eâ pour le La batterie en état de fonctionnement est la condition préalable pour favoriser le long cycle de batteries entièrement solides dans des conditions pratiques. L'équipe de recherche peut construire une voie Li+/eâ stable et rapide in situ au Interface matériau cathodique/électrolyte solide en ajustant la masse/surface la structure de l'interface et la conception innovante favorisent l'activité de réaction redox De l'oxygène anionique et améliore la réversibilité de la réaction redox de l'anionique oxygène à la surface du matériau cathodique du lithium entièrement solide Batterie à température ambiante, stabilisant ainsi le solide-solide haute tension interface.

Figure 1. Schéma de principe de la modification de la structure de l'interface masse/surface stratégie de conception de matériaux cathodiques à base de manganèse riches en lithium

Cette étude proposé une stratégie de synthèse en une étape pour optimiser l'interface masse/surface Structure des matériaux cathodiques à base de manganèse riches en lithium et créé un Matériau cathodique à base de manganèse riche en lithium (5W&LRMO) avec un volume structure intégrée, dopage W et revêtement de surface Li2WO4. Cette structure améliore la stabilité structurelle globale de la cathode à base de manganèse riche en lithium matériaux, améliore la cinétique de transfert de Li+/eâ et améliore considérablement l'activité redox du métal de transition cations et oxygène anionique. Compensation de charge du rédox anionique de l'oxygène Les réactions pendant le processus de charge et de décharge sont obtenues, favorisant la réversibilité des réactions redox des ions oxygène à la surface de Matériaux cathodiques à base de manganèse riches en lithium et stabilisation de la haute tension interface solide-solide. L'interface optimisée assure la charge et la décharge stabilité dans la plage de haute tension et maintient une cinétique de transfert Li+/e efficace sur une longue période de cycle, améliorant ainsi la taux d'utilisation des substances actives dans le matériau cathodique composite.

Graphique 2. Evolution de la cinétique de transport interfacial du Li+ à base de manganèse riche en lithium matériaux cathodiques pendant le premier processus de charge et de décharge

Cette étude a révélé le processus d'évolution de l'impédance de l'interface entre le cathode à base de manganèse riche en lithium et électrolyte par impédance in situ tests de spectroscopie (EIS) combinés à une analyse du temps de relaxation (DRT). Le La méthode proposée permet de visualiser le processus d'évolution de l'interface au cours la première charge et décharge et le processus de cycle long. L'étude en profondeur comprend l'évolution de la structure de l'interface entre les matériau cathodique à base de manganèse et électrolyte avant et après modification. On constate que la cathode à base de manganèse riche en lithium le matériau avant modification présente une réaction redox anionique irréversible à haute tension, oxydant davantage l'interface cathode et électrolyte, entraînant une augmentation significative de l'impédance et gênant l'interface Transmission Li+. En revanche, les composés modifiés à base de manganèse et riches en lithium Le matériau cathodique présente une cinétique de diffusion Li+ stable/rapide, en particulier à une haute tension de 4,6 V, minimisant le changement de valeur d'impédance interfaciale. Par conséquent, une transmission interfaciale Li+ plus rapide et plus stable est favorisée par améliorer la réversibilité de la réaction redox anion oxygène. C'est plus facile pour Matériaux cathodiques composites pour réaliser des applications de qualité industrielle avec un capacité de surface d'environ 3 mAh/cm2 ou même plus. A 25°C, la capacité de surface du matériau cathodique 5W&LRMO à charge surfacique élevée à 0,2 Le taux C est d'environ 2,5 mAh/cm2 et le taux de rétention de capacité est de 88,1 % après 100 cycles; à un taux élevé de 1 C, il présente une stabilité de cycle ultra-longue, avec un taux de rétention de capacité de 84,1 % après 1 200 cycles. La recherche fournit une nouvelle façon de concevoir la structure d’interface masse/surface des matériaux riches en lithium matériaux cathodiques à base de manganèse et un moyen efficace d'améliorer l'énergie densité des batteries au lithium entièrement solides.

Le 1er octobre, le des résultats de recherche pertinents ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society sous le titreâBulk/Interfacial Conception de la structure de cathodes à base de Li et de Mn pour le lithium entièrement solide Piles….

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