Օգոստոսի 21-ին Չինաստանի գիտության և տեխնոլոգիայի համալսարանի (USTC) պրոֆեսոր Մ.Ա. Չենգը և նրա գործընկերները առաջարկեցին արդյունավետ ռազմավարություն՝ լուծելու էլեկտրոդ-էլեկտրոլիտ շփման խնդիրը, որը սահմանափակում է հաջորդ սերնդի պինդ վիճակում գտնվող լիթիումային մարտկոցների զարգացումը: Այս կերպ ստեղծված պինդ-պինդ կոմպոզիտային էլեկտրոդը ցուցաբերեց բացառիկ հզորություններ և արագության ցուցանիշներ:
Ավանդական լիթիում-իոնային մարտկոցներում օրգանական հեղուկ էլեկտրոլիտը պինդ էլեկտրոլիտներով փոխարինելը կարող է զգալիորեն մեղմել անվտանգության հետ կապված խնդիրները և հնարավոր է՝ կոտրել էներգիայի խտության բարելավման «ապակե առաստաղը»։ Այնուամենայնիվ, հիմնական էլեկտրոդային նյութերը նույնպես պինդ նյութեր են։ Քանի որ երկու պինդ նյութերի միջև շփումը գրեթե անհնար է այնքան սերտ լինել, որքան պինդ և հեղուկ նյութերի միջև, ներկայումս պինդ էլեկտրոլիտների վրա հիմնված մարտկոցները սովորաբար ցուցաբերում են վատ էլեկտրոդ-էլեկտրոլիտ շփում և անբավարար ամբողջական բջիջների աշխատանք։
«Պինդ վիճակում գտնվող մարտկոցների էլեկտրոդ-էլեկտրոլիտ շփման խնդիրը որոշ չափով նման է փայտե տակառի ամենակարճ ձողի», - ասաց ուսումնասիրության գլխավոր հեղինակ, ԱՄՆ Տեխնոլոգիական Ինստիտուտի պրոֆեսոր Մ.Ա. Չենգը։ «Իրականում, այս տարիների ընթացքում հետազոտողներն արդեն մշակել են բազմաթիվ գերազանց էլեկտրոդներ և պինդ էլեկտրոլիտներ, բայց դրանց միջև վատ շփումը դեռևս սահմանափակում է լիթիում-իոնային փոխադրման արդյունավետությունը»։
Բարեբախտաբար, MA-ի ռազմավարությունը կարող է հաղթահարել այս լուրջ մարտահրավերը: Ուսումնասիրությունը սկսվել է նախատիպային, պերովսկիտային կառուցվածքով պինդ էլեկտրոլիտի խառնուրդային փուլի ատոմ առ ատոմ ուսումնասիրությամբ: Չնայած խառնուրդի և պինդ էլեկտրոլիտի բյուրեղային կառուցվածքը մեծապես տարբերվում էր, նկատվել է, որ դրանք ձևավորում են էպիտաքսիալ միջերեսներ: Մի շարք մանրամասն կառուցվածքային և քիմիական վերլուծություններից հետո հետազոտողները պարզել են, որ խառնուրդային փուլը իզոկառուցվածքային է բարձր հզորությամբ լիթիումով հարուստ շերտավոր էլեկտրոդների հետ: Այսինքն՝ նախատիպային պինդ էլեկտրոլիտը կարող է բյուրեղանալ բարձր արդյունավետության էլեկտրոդի ատոմային շրջանակի կողմից ձևավորված «շաբլոնի» վրա, ինչը հանգեցնում է ատոմապես մոտ միջերեսների:
«Սա իսկապես անակնկալ է», - ասաց առաջին հեղինակ Լ.Ի. Ֆուժենը, ով ներկայումս USTC-ի ասպիրանտ է: «Նյութում խառնուրդների առկայությունը իրականում շատ տարածված երևույթ է, այնքան տարածված, որ ժամանակի մեծ մասում դրանք անտեսվում են: Այնուամենայնիվ, դրանք ուշադիր ուսումնասիրելուց հետո մենք հայտնաբերեցինք այս անսպասելի էպիտաքսիալ վարքագիծը, և դա ուղղակիորեն ոգեշնչեց մեր ռազմավարությունը՝ պինդ-պինդ շփումը բարելավելու համար»:
Համեմատած սառը սեղմման լայնորեն կիրառվող մոտեցման հետ, հետազոտողների կողմից առաջարկվող ռազմավարությունը կարող է ապահովել պինդ էլեկտրոլիտների և էլեկտրոդների միջև մանրակրկիտ, անխափան շփում ատոմային մասշտաբով, ինչպես արտացոլվում է ատոմային լուծաչափով էլեկտրոնային մանրադիտակի պատկերում: (Տրամադրվել է MA-ի թիմի կողմից):
Դիտարկված երևույթից օգտվելով՝ հետազոտողները դիտավորյալ բյուրեղացրել են ամորֆ փոշին՝ պերովսկիտային կառուցվածքով պինդ էլեկտրոլիտի նույն կազմով, որը գտնվում է լիթիումով հարուստ շերտավոր միացության մակերեսին, և հաջողությամբ իրականացրել են այս երկու պինդ նյութերի միջև մանրակրկիտ, անխափան շփում կոմպոզիտային էլեկտրոդում: Էլեկտրոդ-էլեկտրոլիտ շփման խնդիրը լուծելուց հետո, նման պինդ-պինդ կոմպոզիտային էլեկտրոդը ապահովել է նույնիսկ պինդ-հեղուկ կոմպոզիտային էլեկտրոդի արագության կարողություն: Ավելի կարևոր է, որ հետազոտողները նաև պարզել են, որ այս տեսակի էպիտաքսիալ պինդ-պինդ շփումը կարող է հանդուրժել ցանցի մեծ անհամապատասխանությունները, և, հետևաբար, նրանց առաջարկած ռազմավարությունը կարող է կիրառելի լինել նաև շատ այլ պերովսկիտային պինդ էլեկտրոլիտների և շերտավոր էլեկտրոդների համար:
«Այս աշխատանքը մատնանշեց մի ուղղություն, որը արժե հետևել», - ասաց Մ.Ա.-ն: «Այստեղ բարձրացված սկզբունքը կիրառելը այլ կարևոր նյութերի վրա կարող է հանգեցնել բջջային ավելի լավ աշխատանքի և ավելի հետաքրքիր գիտության: Մենք անհամբեր սպասում ենք դրան»:
Հետազոտողները մտադիր են շարունակել իրենց հետազոտությունները այս ուղղությամբ և կիրառել առաջարկվող ռազմավարությունը այլ բարձր տարողունակությամբ, բարձր պոտենցիալով կաթոդների վրա։
Ուսումնասիրությունը հրապարակվել է Matter ամսագրում, որը Cell Press-ի առաջատար ամսագիրն է, «Ատոմային մտերիմ շփում պինդ էլեկտրոլիտների և Li մարտկոցների էլեկտրոդների միջև» վերնագրով: Առաջին հեղինակը Լ.Ի. Ֆուժենն է, USTC-ի ասպիրանտ: Պրոֆեսոր Մ.Ա. Չենգի համագործակիցների թվում են Ցինհուա համալսարանի պրոֆեսոր ՆԱՆ Սե-Վենը և Էյմսի լաբորատորիայի դոկտոր Չժոու Լինը:
(Քիմիայի և նյութագիտության դպրոց)
Հոդվածի հղումը՝ https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Հրապարակման ժամանակը. Հունիս-03-2019