Mekanokemiskt oordnad oxyhalid frigör superjonisk konduktivitet
| Jerry Huang
Redaktörens anmärkning: Fasta elektrolyter är nyckelkomponenten i litiumbatterier i fast tillstånd (ASSLB). Tack vare sin inneboende säkerhet är fasta batterier mycket attraktiva energilagringskällor, men deras utveckling är beroende av genombrott inom avancerade fasta elektrolyter. Tre huvudfamiljer finns för närvarande tillgängliga: oorganiska elektrolyter (inklusive oxider, sulfider och halogenider), organiska polymerelektrolyter (vanligast poly(etylenoxid), PEO) och kompositsystem som integrerar de två. Här är en ny forskning från teamet lett av Jean-Marie Tarascon vid Collège de France . Oorganiska fasta elektrolyter kombinerar hög jonledningsförmåga, utmärkt termisk stabilitet och ett högt Li⁺-överföringstal; de drar därför till sig ständigt växande uppmärksamhet och betraktas som hörnstenen för utvecklingen av sammansatta fasta elektrolyter. Experiment och beräkningar tillskriver den superjoniska transporten till oordningar i [Ta₂OCl₁₀]²⁻-dimererna, till en minskning av Li⁺-migrationsbarriären och till den förbättrade rumsliga konnektiviteten hos Li⁺-diffusionsvägar. Fullständiga NMC811-celler med tvåskiktselektrolyt klarar mer än 700 cykler vid 1°C, samtidigt som de belyser en praktisk begränsning hos detta material – dess otillräckliga reduktiva stabilitet, vilket kräver gränssnittsskydd för anoden. En tidigare forskning av akademikern Xueliang Suns team vid Eastern Institute of Technology Ningbo visade hög jonledningsförmåga genom att använda en annan kristall Li3Ta3O4Cl10 i oxihalogeniddesign. Tack till alla forskare för att de har bidragit med lovande superjoniska ledare i ASSB-designer.
Abstrakt
Helt i fast tillstånd, litiummetallbatterier (ASSB) erbjuder en lovande väg att överträffa energitäthetsgränserna för konventionell litiumjonteknik. Emellertid hindras deras kommersialisering av gränssnittsinstabilitet, kemo-mekanisk nedbrytning och den begränsade jonledningsförmågan hos nuvarande fasta elektrolyter, vilket driver sökandet efter nya snabba jonledare, särskilt bland litiumoxihalogenider. Här rapporterar vi en ny litiumtantaloxiklorid, Li2Ta2OCl10, syntetiserad via en enkel lågtemperaturväg. Materialet kristalliserar i en triklinisk struktur bestående av isolerade [Ta2OCl10]2−-dimerer och uppvisar en jonledningsförmåga vid rumstemperatur på 0,002 mS.cm−1. Kulmalning förbättrar dramatiskt Li+-transporten, vilket ökar konduktiviteten med en faktor 5000 till 11 mS.cm−1 samtidigt som aktiveringsenergin minskar från 0,46 till 0,27 eV. Kombinerade strukturella, spektroskopiska och beräkningsmässiga analyser visar att denna förbättring härrör från bildandet av ett mycket oordnat, vätskeliknande Li+-subgitter. Li₂Ta₂OCl₄ uppvisar vidare ett stabilitetsfönster på 1,89–3,70 V jämfört med LixIn och möjliggör assayer med låg polarisering och utmärkt kapacitetsretention (700 cykler vid 1°C med sönderfall mindre än 20%). Dessa resultat etablerar Li₂Ta₂OCl₄ som en lovande superjonisk ledare och belyser Li–M–O–Cl-familjen som ett bördigt designutrymme för nästa generations fasta elektrolyter.
Referenser
https://doi.org/10.1002/aenm.71736
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt9678