21 აგვისტოს, ჩინეთის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების უნივერსიტეტის (USTC) პროფესორმა მ.ა. ჩენგმა და მისმა თანამშრომლებმა შემოგვთავაზეს ეფექტური სტრატეგია ელექტროდ-ელექტროლიტის კონტაქტის პრობლემის მოსაგვარებლად, რაც ზღუდავს ახალი თაობის მყარი მდგომარეობის ლითიუმ-იონური აკუმულატორების განვითარებას. ამ გზით შექმნილმა მყარი-მყარმა კომპოზიტურმა ელექტროდმა გამოავლინა განსაკუთრებული სიმძლავრე და სიჩქარის მაჩვენებლები.
ჩვეულებრივ ლითიუმ-იონურ ბატარეებში ორგანული თხევადი ელექტროლიტის მყარი ელექტროლიტებით ჩანაცვლებამ შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამსუბუქოს უსაფრთხოების პრობლემები და პოტენციურად დაარღვიოს ენერგიის სიმკვრივის გაუმჯობესების „შუშის ჭერი“. თუმცა, ელექტროდების ძირითადი მასალებიც მყარია. რადგან ორ მყარ სხეულს შორის კონტაქტი თითქმის შეუძლებელია ისეთივე მჭიდრო იყოს, როგორც მყარსა და თხევადს შორის, ამჟამად მყარ ელექტროლიტებზე დაფუძნებულ ბატარეებს, როგორც წესი, ახასიათებთ ელექტროდ-ელექტროლიტის ცუდი კონტაქტი და არადამაკმაყოფილებელი სრული უჯრედის მუშაობა.
„მყარი მდგომარეობის ბატარეების ელექტროდ-ელექტროლიტის კონტაქტის საკითხი გარკვეულწილად ხის კასრის უმოკლეს ძელს ჰგავს“, - თქვა კვლევის წამყვანმა ავტორმა, USTC-ის პროფესორმა მ.ა. ჩენგმა. „სინამდვილეში, ამ წლების განმავლობაში მკვლევარებმა უკვე შექმნეს მრავალი შესანიშნავი ელექტროდი და მყარი ელექტროლიტი, მაგრამ მათ შორის ცუდი კონტაქტი კვლავ ზღუდავს ლითიუმ-იონური ტრანსპორტირების ეფექტურობას“.
საბედნიეროდ, MA-ს სტრატეგიამ შესაძლოა ეს რთული გამოწვევა გადალახოს. კვლევა დაიწყო პეროვსკიტის სტრუქტურის მქონე პროტოტიპის მყარი ელექტროლიტის მინარევების ფაზის ატომ-ატომ შესწავლით. მიუხედავად იმისა, რომ მინარევსა და მყარ ელექტროლიტს შორის კრისტალური სტრუქტურა მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდა, დაფიქსირდა ეპიტაქსიური ინტერფეისების წარმოქმნა. დეტალური სტრუქტურული და ქიმიური ანალიზების სერიის შემდეგ, მკვლევარებმა აღმოაჩინეს, რომ მინარევების ფაზა იზოსტრუქტურულია მაღალი ტევადობის ლითიუმის მდიდარი ფენოვანი ელექტროდების მიმართ. ანუ, პროტოტიპის მყარი ელექტროლიტი შეიძლება კრისტალიზებული იყოს მაღალი ხარისხის ელექტროდის ატომური ჩარჩოთი წარმოქმნილ „შაბლონზე“, რაც იწვევს ატომურად მჭიდრო ინტერფეისებს.
„ეს ნამდვილად სიურპრიზია“, - თქვა პირველმა ავტორმა ლ.ი. ფუჟენმა, რომელიც ამჟამად USTC-ის ასპირანტურაა. „მასალაში მინარევების არსებობა სინამდვილეში ძალიან გავრცელებული ფენომენია, იმდენად გავრცელებული, რომ უმეტეს შემთხვევაში ისინი იგნორირებულია. თუმცა, მათი ყურადღებით დათვალიერების შემდეგ, ჩვენ აღმოვაჩინეთ ეს მოულოდნელი ეპიტაქსიური ქცევა და ამან პირდაპირ შთააგონა ჩვენი სტრატეგია მყარი ნივთიერებების კონტაქტის გასაუმჯობესებლად“.
ცივი დაწნეხვის ფართოდ გავრცელებულ მიდგომასთან შედარებით, მკვლევარების მიერ შემოთავაზებული სტრატეგია ატომური მასშტაბით მყარ ელექტროლიტებსა და ელექტროდებს შორის საფუძვლიანი, უწყვეტი კონტაქტის მიღწევას უზრუნველყოფს, რაც ატომური გარჩევადობის ელექტრონული მიკროსკოპიის გამოსახულებაზეა ასახული. (მოწოდებულია MA-ს გუნდის მიერ.)
დაკვირვებული ფენომენის გამოყენებით, მკვლევრებმა განზრახ დააკრისტალეს ამორფული ფხვნილი იმავე შემადგენლობით, რაც პეროვსკიტის სტრუქტურის მქონე მყარი ელექტროლიტი ლითიუმის მდიდარი ფენოვანი ნაერთის ზედაპირზე და წარმატებით განახორციელეს ამ ორ მყარ მასალას შორის სრული, უწყვეტი კონტაქტი კომპოზიტურ ელექტროდში. ელექტროდ-ელექტროლიტის კონტაქტის პრობლემის მოგვარების შემდეგ, ასეთმა მყარ-მყარმა კომპოზიტურმა ელექტროდმა უზრუნველყო სიჩქარის შესაძლებლობა, რომელიც შედარებადია მყარი-სითხე კომპოზიტური ელექტროდის სიჩქარესთან. უფრო მნიშვნელოვანია ის, რომ მკვლევრებმა ასევე აღმოაჩინეს, რომ ამ ტიპის ეპიტაქსიურმა მყარ-მყარმა კონტაქტმა შეიძლება აიტანოს ბადის დიდი შეუსაბამობები და, შესაბამისად, მათ მიერ შემოთავაზებული სტრატეგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა მრავალი პეროვსკიტის მყარი ელექტროლიტისა და ფენოვანი ელექტროდისთვისაც.
„ამ ნაშრომმა გამოკვეთა მიმართულება, რომლის გაგრძელებაც ღირს“, - თქვა მ.ა.-მ. „აქ წამოჭრილი პრინციპის სხვა მნიშვნელოვან მასალებზე გამოყენებამ შესაძლოა უჯრედების კიდევ უფრო უკეთესი მუშაობისა და უფრო საინტერესო მეცნიერული კვლევის შედეგი გამოიწვიოს. ჩვენ ამას მოუთმენლად ველით“.
მკვლევრები აპირებენ, ამ მიმართულებით განაგრძონ კვლევა და შემოთავაზებული სტრატეგია სხვა მაღალი ტევადობის, მაღალი პოტენციალის მქონე კათოდებზეც გამოიყენონ.
კვლევა გამოქვეყნდა Cell Press-ის წამყვან ჟურნალ Matter-ში, სახელწოდებით „მყარ ელექტროლიტებსა და ლითიუმ-იონური აკუმულატორების ელექტროდებს შორის ატომურად მჭიდრო კონტაქტი“. პირველი ავტორია ლი ფუჟენი, USTC-ის კურსდამთავრებული სტუდენტი. პროფესორ მ.ა. ჩენგის თანამშრომლებს შორის არიან ცინგჰუას უნივერსიტეტის პროფესორი ნან სე-ვენი და ეიმსის ლაბორატორიის დოქტორი ჟოუ ლინი.
(ქიმიისა და მასალათმცოდნეობის სკოლა)
ნაშრომის ბმული: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
გამოქვეყნების დრო: 03 ივნისი, 2019