全固体リチウム電池用リチウムリッチマンガン系正極

最近、 化学工学部の張強教授のチーム 清華大学がバルク/表面界面に関する研究結果を発表 リチウムに富むマンガン系正極材料の構造設計 全固体金属リチウム電池。彼らは現場のバルク/表面を提案しました。 界面構造制御戦略を確立し、高速かつ安定なLi+/e-経路を構築し、リチウムリッチの実用化を推進 全固体リチウム電池のマンガンベースの正極材料。

電池は 現代のエネルギー分野で重要な役割を果たし、さまざまな分野で大きな成功を収めています。 ポータブル電子機器、電気自動車、グリッドスケールのエネルギー貯蔵 アプリケーション。ただし、バッテリーのエネルギー密度を向上させる一方で、 バッテリーの安全性が鍵です。需要の急速な成長に伴い、 電池のエネルギー密度を向上させる、従来のリチウムイオン電池 従来の正極材料と有機物に依存する技術 電解質は長期サイクルで技術的なボトルネックに直面しています 安定性、広い温度範囲、安全性。従来のものと比較して リチウムイオン電池、全固体リチウム電池は限界を突破できる より高いエネルギー密度限界。優れたエネルギー密度と安全性により 優れた特性を備えた次世代電池としても最も期待されています テクノロジー。それにもかかわらず、古典的な正極材料は現在、 全固体リチウムの高いエネルギー密度と安全性要件 電池。リチウムに富むマンガン系正極材料が最も主流となっている 全固体リチウム電池の正極材料として有望視されている。 放電比容量 〜 250 mAh/g、エネルギー密度 〜 1000 Wh/kg、および低 Co および Ni 含有量。

ただし、次の理由により、 低い電子伝導性と明らかな不可逆的な酸化還元反応、 界面構造が著しく劣化しており、そのため動的挙動が不安定になります。 充電および放電中のリチウムに富んだマンガンベースの正極材料 障害のある。酸素の逃げ現象はこの界面の故障挙動を悪化させます。 電解質の酸化分解を引き起こし、電解質を破壊します。 リチウムリッチなマンガンベースの正極材料間の界面安定性 および電解質。

構築と 安定したLi+およびe-輸送パスを維持します。 バッテリーが動作状態にあることは、バッテリーのロングサイクルを促進するための前提条件です。 実用条件下での全固体電池。研究チームができることは、 安定かつ高速な Li+/e-経路をその場で構築します。 バルク/表面を調整することによる正極材料/固体電解質界面 界面構造と革新的なデザインにより、酸化還元反応活性を促進します。 アニオン性酸素の酸化還元反応の可逆性を高めます。 全固体リチウムの正極材表面の酸素 室温でバッテリーを安定化させることで、高電圧を固体-固体で安定させます。 インターフェース

図 1。 バルク／表面界面構造の改変の模式図 リチウムに富むマンガン系正極材料の設計戦略

この研究 バルク/表面界面を最適化するワンステップ合成戦略を提案 リチウムに富むマンガン系正極材料の構造を解明し、 リチウムに富んだマンガンベースの正極材料 (5W&LRMO) とバルク 埋め込み構造、Wドーピング、Li2WO4表面コーティング。この構造 リチウムが豊富なマンガンベースのカソードのバルク構造安定性を強化します Li+/e-の移動速度を改善し、遷移金属の酸化還元活性を大幅に強化します。 カチオンとアニオン性酸素。アニオン性酸素酸化還元の電荷補償 充電および放電プロセス中の反応が達成されるため、 表面の酸素イオン酸化還元反応の可逆性を促進します。 リチウムリッチなマンガンベースの正極材料と高電圧の安定化 固体と固体のインターフェース。最適化されたインターフェースにより確実な充電と放電が可能 高電圧範囲での安定性を高め、長いサイクル期間にわたって効率的な Li+/e-転移反応速度を維持することで、 複合正極材料における活性物質の利用率。

図2。 リチウムリッチなマンガンベースの界面 Li+ 輸送速度論の進化 最初の充放電プロセス中の正極材料

この研究 間の界面のインピーダンス進化過程を明らかにした。 現場インピーダンスによるリチウム豊富なマンガンベースのカソードと電解質 分光法（EIS）検査と緩和時間分析（DRT）を組み合わせた検査。の 提案手法により界面進化過程の可視化が可能となる 最初の充放電とロングサイクルプロセス。勉強が深くなる リチウムリッチ層間の界面構造の進化を理解する マンガン系正極材とその前後の電解液 修正。リチウムが豊富なマンガンベースの正極は、 修飾前の材料は不可逆的なアニオン酸素酸化還元反応を示します 高電圧では、カソードと電解質の界面がさらに酸化され、 インピーダンスが大幅に増加し、界面の障害が発生します。 Li+トランスミッション。対照的に、改質リチウムリッチマンガンベース カソード材料は、特に次の条件で、安定した/速い Li+ 拡散速度を示します。 4.6Vの高電圧に対応し、界面インピーダンス値の変化を最小限に抑えます。 したがって、より速く、より安定した界面 Li+ 伝達は、 アニオン酸素酸化還元反応の可逆性を向上させます。にとっては簡単です 複合カソード材料により、産業グレードのアプリケーションを実現します。 表面容量は約 3 mAh/cm2 以上です。 25℃では、 高面積負荷 5W&LRMO 正極材料の表面積は 0.2 Cレートは約2.5mAh/cm2、100年後の容量維持率は88.1% サイクル。 1 C の高速レートで、超長サイクル安定性を示します。 1200サイクル後の容量維持率は84.1%。この研究は新しいことを提供します リチウムリッチのバルク/表面界面構造を設計する方法 マンガンベースの正極材料とエネルギーを改善する効果的な方法 全固体リチウム電池の密度

10月1日、 関連する研究結果がJournal of the Americanに掲載されました 「バルク/界面」というタイトルの化学会 全固体リチウム用リチウムリッチマンガン系正極の構造設計 バッテリー

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