Odkryto niedrogi materiał halogenkowy o dużej gęstości energii i długim cyklu życia
| Jerry Huang
Uwaga redaktora: W dziedzinie magazynowania energii, baterie typu all-solid-state są uważane za najlepsze rozwiązanie w technologii magazynowania energii nowej generacji, jednak ich rozwój od dawna jest ograniczony przez krytyczne wąskie gardła w materiałach elektrod. Tradycyjne baterie typu all-solid-state (ASSB) zazwyczaj zawierają elektrody złożone z materiałów aktywnych, elektrolitów stałych i dodatków przewodzących. Jednak te nieaktywne komponenty (zajmujące 40–50% objętości elektrod) nie tylko zmniejszają gęstość energii, ale także indukują reakcje uboczne na powierzchniach międzyfazowych i zwiększają krętość transportu jonów litu. Chociaż projekty typu „wszystko w jednym” (materiały charakteryzujące się wysoką przewodnością i aktywnością elektrochemiczną) mogłyby rozwiązać te problemy, istniejące materiały, takie jak tlenki (niska pojemność) i siarczki (wysoki koszt), mają trudności ze spełnieniem wymagań przyszłych rynków. Halogenki oferują zalety w postaci niskiego kosztu i wysokiej przewodności jonowej, ale charakteryzują się niewystarczającą przewodnością elektronową i gęstością energii. Dlatego opracowanie materiałów typu „wszystko w jednym”, które łączą wysoką wydajność elektrochemiczną, niedrogą skalowalność ze stabilnością mechaniczną, stało się kluczowym wyzwaniem.
Oto doskonały przykład. Zespół z University of Western Ontario w Kanadzie udziela rewolucyjnej odpowiedzi w swoim badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nature – zaprojektował pierwszy na świecie materiał halogenkowy, Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄, charakteryzujący się dynamiczną zdolnością do samonaprawy i integracją trzy w jednym (katoda/elektrolit/przewodnik). Dzięki odwracalnym reakcjom redoks Fe²⁺/Fe³⁺ i unikalnemu mechanizmowi przejścia kruchego w ciągliwy, materiał ten zachowuje 90% pojemności po 3000 cyklach, osiągając gęstość energetyczną elektrody 529,3 Wh kg⁻¹ (możliwą do skalowania do 725,6 Wh kg⁻¹ w przypadku konstrukcji kompozytowych). Co więcej, jego koszt stanowi zaledwie 26% kosztu konwencjonalnych elektrod. Promieniowanie synchrotronowe w połączeniu z symulacjami atomowymi po raz pierwszy ujawniło mechanizm samonaprawy indukowany migracją żelaza! Praca ta nie tylko dostarcza materiał bazowy do baterii całkowicie półprzewodnikowych, ale także stanowi przykład paradygmatu dla projektu typu „wszystko w jednym”, integrującego materiały, mechanikę i elektrochemię. Dziękujemy za ogromny wysiłek wszystkich badaczy.
Abstrakcyjny
Akumulatory całkowicie półprzewodnikowe wymagają zaawansowanych konstrukcji katod, aby wykorzystać ich potencjał w zakresie wysokiej gęstości energii i opłacalności. Zintegrowane katody typu „wszystko w jednym”, które eliminują nieaktywne dodatki przewodzące i heterogeniczne interfejsy, dają nadzieję na znaczne zwiększenie energii i stabilności, ale są utrudnione przez materiały o niewystarczającej przewodności Li+/e−, wytrzymałości mechanicznej i stabilności strukturalnej. W niniejszym artykule przedstawiamy Li1,3Fe1,2Cl4, ekonomiczny materiał halogenkowy, który pokonuje te wyzwania. Wykorzystując odwracalną reakcję redoks Fe₂/Fe₂+ i szybki transport Li+/e−, Li1,3Fe1,2Cl4 osiąga gęstość energii elektrody równą 529,3 Wh·kg−1 w porównaniu z Li+/Li. Co istotne, Li1,3Fe1,2Cl4 wykazuje unikalne właściwości dynamiczne podczas cykli, w tym odwracalną lokalną migrację Fe oraz przejście z kruchego do ciągliwego, które zapewnia zdolność samonaprawiania. Zapewnia to wyjątkową stabilność cykli, utrzymując 90% pojemności przez 3000 cykli przy temp. 5°C. Integracja Li1,3Fe1,2Cl4 z warstwowym tlenkiem bogatym w nikiel dodatkowo zwiększa gęstość energii do 725,6 Wh kg−1. Wykorzystując korzystne właściwości dynamiczne, mechaniczne i dyfuzyjne halogenków typu „wszystko w jednym”, niniejsza praca ustanawia je jako drogę do uzyskania gęstych energetycznie, trwałych katod w bateriach nowej generacji ze stałym elektrolitem.
Odniesienia
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1