Ett billigt halogenidmaterial med hög energitäthet och lång livslängd avslöjat
| Jerry Huang

Redaktörens anmärkning: Inom energilagring anses solid-state-batterier vara den bästa lösningen för nästa generations energilagringsteknik, men deras utveckling har länge begränsats av kritiska flaskhalsar i elektrodmaterial. Traditionella solid-state-batterier (ASSB) har vanligtvis elektroder som består av aktiva material, fasta elektrolyter och ledande tillsatser. Dessa inaktiva komponenter (som upptar 40–50 % av elektrodernas volym) minskar dock inte bara energitätheten, utan inducerar också gränssnittsreaktioner och ökar litiumjontransportens slingrande egenskaper. Även om "allt-i-ett"-konstruktioner (material som uppvisar hög konduktivitet och elektrokemisk aktivitet) skulle kunna lösa dessa problem, kämpar befintliga material som oxider (låg kapacitet) och sulfider (hög kostnad) för att möta kraven på framtida marknader. Halider erbjuder fördelar i form av låg kostnad och hög jonledningsförmåga, men lider av otillräcklig elektronisk konduktivitet och energitäthet. Därför har det blivit en kritisk utmaning att utveckla allt-i-ett-material som kombinerar hög elektrokemisk prestanda, billig skalbarhet med mekanisk stabilitet.
Här är ett utmärkt exempel. Ett team från University of Western Ontario i Kanada ger ett revolutionerande svar i sin Nature-studie – de designade världens första halogenidmaterial, Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄, med dynamisk självläkande förmåga och tre-i-ett-integration (katod/elektrolyt/ledare). Genom reversibla Fe²⁺/Fe³⁺ redoxreaktioner och en unik övergångsmekanism från sprött till duktilt material behåller detta material 90 % kapacitet efter 3 000 cykler och uppnår en elektrodenergitäthet på 529,3 Wh kg⁻¹ (skalbar till 725,6 Wh kg⁻¹ med kompositkonstruktioner). Ännu mer anmärkningsvärt är att dess kostnad bara är 26 % av konventionella elektroders. Synkrotronstrålning tillsammans med atomsimuleringar avslöjade för första gången en järnmigrationsinducerad självläkande mekanism! Detta arbete frigör inte bara ett kärnmaterial för heltäckande solid state-batterier utan ger också ett paradigmbaserat argument för allt-i-ett-design som integrerar material, mekanik och elektrokemi. Tack vare stora insatser från alla forskare.
Abstrakt
Helt i fast tillstånd-batterier kräver avancerade katodkonstruktioner för att realisera sin potential för hög energitäthet och ekonomisk lönsamhet. Integrerade allt-i-ett-katoder, som eliminerar inaktiva ledande tillsatser och heterogena gränssnitt, lovar betydande energi- och stabilitetsvinster men hindras av material som saknar tillräcklig Li+/e−-ledningsförmåga, mekanisk robusthet och strukturell stabilitet. Här presenterar vi Li1.3Fe1.2Cl4, ett kostnadseffektivt halogenidmaterial som övervinner dessa utmaningar. Genom att utnyttja reversibel Fe2+/Fe3+ redox och snabb Li+/e−-transport inom sitt ramverk, uppnår Li1.3Fe1.2Cl4 en elektrodenergitäthet på 529,3 Wh kg−1 jämfört med Li+/Li. Avgörande är att Li1.3Fe1.2Cl4 uppvisar unika dynamiska egenskaper under cykling, inklusive reversibel lokal Fe-migration och en övergång från sprött till duktil som ger självläkande beteende. Detta möjliggör exceptionell cykelstabilitet, och bibehåller 90 % kapacitetsretention under 3 000 cykler med en hastighet av 5 °C. Integrationen av Li1,3Fe1,2Cl4 med en nickelrik skiktad oxid ökar ytterligare energitätheten till 725,6 Wh kg−1. Genom att utnyttja de fördelaktiga dynamiska mekaniska egenskaperna och diffusionsegenskaperna hos allt-i-ett-halider, etablerar detta arbete allt-i-ett-halider som en väg för energitäta, hållbara katoder i nästa generations heltäckande solid-state-batterier.
Referenser
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1





Solpaneler byggdes först
Solpaneler ett år senare
Solenergibas fem år senare

