हाल ही में, सिंघुआ विश्वविद्यालय में केमिकल इंजीनियरिंग विभाग के प्रोफेसर झांग कियांग की टीम ने ऑल-सॉलिड-स्टेट मेटल लिथियम बैटरी के लिए लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री के थोक/सतह इंटरफ़ेस संरचना डिजाइन पर शोध परिणाम प्रकाशित किए। उन्होंने एक इन-सीटू बल्क/सतह इंटरफ़ेस संरचना विनियमन रणनीति का प्रस्ताव दिया, एक तेज़ और स्थिर Li+/e−pathway का निर्माण किया, और सभी-ठोस-अवस्था लिथियम बैटरी में लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री के व्यावहारिक अनुप्रयोग को बढ़ावा दिया।
बैटरियां आधुनिक ऊर्जा क्षेत्र में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, इलेक्ट्रिक वाहनों और ग्रिड-स्केल ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों में बड़ी सफलता हासिल की है। हालाँकि, बैटरियों की ऊर्जा घनत्व में सुधार करते समय, बैटरियों की सुरक्षा सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है। बैटरियों की ऊर्जा घनत्व में सुधार की मांग में तेजी से वृद्धि के साथ, पारंपरिक कैथोड सामग्री और कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स पर निर्भर पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी तकनीक को दीर्घकालिक चक्र स्थिरता, विस्तृत तापमान सीमा और सुरक्षा में तकनीकी बाधाओं का सामना करना पड़ा है। पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में, ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियां उच्च ऊर्जा घनत्व सीमा को तोड़ सकती हैं। अपनी उत्कृष्ट ऊर्जा घनत्व और सुरक्षा विशेषताओं के कारण, यह अगली पीढ़ी की सबसे आशाजनक बैटरी तकनीक भी बन गई है। इसके बावजूद, क्लासिक कैथोड सामग्री वर्तमान में ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों की उच्च ऊर्जा घनत्व और सुरक्षा आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती है। लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री उनकी डिस्चार्ज विशिष्ट क्षमता 250 एमएएच/जी से अधिक या उसके बराबर, ऊर्जा घनत्व 1000 Wh/kg से अधिक या उसके बराबर होने के कारण सभी ठोस-अवस्था लिथियम बैटरी के लिए सबसे आशाजनक कैथोड सामग्री बन गई है। , और कम सह और नी सामग्री।
हालाँकि, कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता और स्पष्ट अपरिवर्तनीय रेडॉक्स प्रतिक्रिया के कारण, इंटरफ़ेस संरचना गंभीर रूप से ख़राब हो जाती है, जो चार्ज और डिस्चार्ज के दौरान लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री के गतिज व्यवहार को ख़राब कर देती है। ऑक्सीजन पलायन की घटना इस इंटरफ़ेस विफलता व्यवहार को बढ़ा देती है, जिससे इलेक्ट्रोलाइट का ऑक्सीडेटिव अपघटन होता है, जो बदले में लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच इंटरफ़ेस स्थिरता को नष्ट कर देता है।
व्यावहारिक परिस्थितियों में ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लंबे चक्र को बढ़ावा देने के लिए कार्यशील अवस्था में बैटरी के लिए एक स्थिर Li+ और e−परिवहन पथ का निर्माण और रखरखाव करना पूर्व शर्त है। अनुसंधान टीम बल्क/सतह इंटरफ़ेस संरचना और अभिनव डिज़ाइन को समायोजित करके कैथोड सामग्री/ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस पर एक स्थिर और तेज़ ली+/ई-पाथवे का निर्माण कर सकती है, आयनिक ऑक्सीजन की रेडॉक्स प्रतिक्रिया गतिविधि को बढ़ावा दे सकती है, और प्रतिवर्तीता को बढ़ा सकती है। कमरे के तापमान पर ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी की कैथोड सामग्री की सतह पर आयनिक ऑक्सीजन की रेडॉक्स प्रतिक्रिया, जिससे उच्च वोल्टेज सॉलिड-सॉलिड इंटरफ़ेस स्थिर हो जाता है।
चित्र 1. लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री के थोक/सतह इंटरफ़ेस संरचना डिजाइन रणनीति के संशोधन का योजनाबद्ध आरेख
इस अध्ययन ने लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्रियों की थोक/सतह इंटरफ़ेस संरचना को अनुकूलित करने के लिए एक-चरण संश्लेषण रणनीति का प्रस्ताव दिया, और एक थोक एम्बेडेड संरचना, डब्ल्यू डोपिंग और के साथ लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री (5W&LRMO) बनाया। Li2WO4 सतह कोटिंग। यह संरचना लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्रियों की थोक संरचनात्मक स्थिरता को बढ़ाती है, Li+/e− के स्थानांतरण कैनेटीक्स में सुधार करती है, और संक्रमण धातु धनायनों और आयनिक ऑक्सीजन की रेडॉक्स गतिविधि को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है। चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान आयनिक ऑक्सीजन रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं का चार्ज मुआवजा प्राप्त किया जाता है, जिससे लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री की सतह पर ऑक्सीजन आयन रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की प्रतिवर्तीता को बढ़ावा मिलता है और उच्च-वोल्टेज ठोस-ठोस इंटरफ़ेस को स्थिर किया जाता है। अनुकूलित इंटरफ़ेस उच्च वोल्टेज रेंज में चार्ज और डिस्चार्ज स्थिरता सुनिश्चित करता है और लंबी चक्र अवधि में कुशल ली +/ई-ट्रांसफर कैनेटीक्स को बनाए रखता है, जिससे समग्र कैथोड सामग्री में सक्रिय पदार्थों की उपयोग दर में सुधार होता है।
चित्र 2. प्रथम चार्ज और डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री के इंटरफेशियल ली+ ट्रांसपोर्ट कैनेटीक्स का विकास
इस अध्ययन से विश्राम समय विश्लेषण (डीआरटी) के साथ संयुक्त इन-सीटू प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) परीक्षण द्वारा लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच इंटरफेस की प्रतिबाधा विकास प्रक्रिया का पता चला। प्रस्तावित विधि पहले चार्ज और डिस्चार्ज और लंबी चक्र प्रक्रिया के दौरान इंटरफ़ेस विकास प्रक्रिया के दृश्य को सक्षम बनाती है। अध्ययन संशोधन से पहले और बाद में लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट के बीच इंटरफ़ेस संरचना विकास को गहराई से समझता है। यह पाया गया है कि संशोधन से पहले लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री उच्च वोल्टेज पर अपरिवर्तनीय आयन ऑक्सीजन रेडॉक्स प्रतिक्रिया प्रदर्शित करती है, जिससे कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस का ऑक्सीकरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिबाधा में उल्लेखनीय वृद्धि होती है और इंटरफेशियल ली + ट्रांसमिशन में बाधा उत्पन्न होती है। इसके विपरीत, संशोधित लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्री स्थिर/तेज ली+ प्रसार कैनेटीक्स प्रदर्शित करती है, विशेष रूप से 4.6 वी के उच्च वोल्टेज पर, इंटरफेशियल प्रतिबाधा मूल्य में परिवर्तन को कम करती है। इसलिए, आयन ऑक्सीजन रेडॉक्स प्रतिक्रिया की उत्क्रमणीयता में सुधार करके तेज़ और अधिक स्थिर इंटरफेशियल ली+ ट्रांसमिशन को बढ़ावा दिया जाता है। समग्र कैथोड सामग्रियों के लिए ~3 एमएएच/सेमी2 या इससे भी अधिक की सतह क्षमता के साथ औद्योगिक-ग्रेड अनुप्रयोगों को प्राप्त करना आसान है। 25 डिग्री पर, उच्च-क्षेत्र-भार 5W और LRMO कैथोड सामग्री की सतह क्षमता 0.2 C दर पर लगभग 2.5 mAh/cm2 है, और 100 चक्रों के बाद क्षमता प्रतिधारण दर 88.1% है; 1 सी की उच्च दर पर, यह 1200 चक्रों के बाद 84.1% की क्षमता प्रतिधारण दर के साथ, अल्ट्रा-लॉन्ग चक्र स्थिरता दिखाता है। अनुसंधान लिथियम-समृद्ध मैंगनीज-आधारित कैथोड सामग्रियों की थोक/सतह इंटरफ़ेस संरचना को डिजाइन करने का एक नया तरीका और सभी-ठोस-राज्य लिथियम बैटरी की ऊर्जा घनत्व में सुधार करने का एक प्रभावी तरीका प्रदान करता है।
1 अक्टूबर को, प्रासंगिक शोध परिणाम अमेरिकन केमिकल सोसाइटी के जर्नल में "ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरियों के लिए ली-रिच एमएन-आधारित कैथोड का बल्क/इंटरफेशियल स्ट्रक्चर डिज़ाइन" शीर्षक के तहत प्रकाशित किए गए थे।
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