Cátodos a base de manganeso ricos en litio para baterías de litio de estado sólido

Recientemente, El equipo del profesor Zhang Qiang del Departamento de Ingeniería Química de La Universidad de Tsinghua publicó los resultados de la investigación sobre la interfaz masa/superficie. Diseño de estructura de materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio para Baterías de litio metálicas totalmente de estado sólido. Propusieron un volumen/superficie in situ estrategia de regulación de la estructura de la interfaz, construyó una vía Li+/eâ rápida y estable y promovió la aplicación práctica de compuestos ricos en litio. Materiales catódicos a base de manganeso en baterías de litio de estado sólido.

Las baterías juegan un papel vital en el campo energético moderno y han logrado un gran éxito en dispositivos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía a escala de red aplicaciones. Sin embargo, si bien se mejora la densidad energética de las baterías, se garantiza La seguridad de las baterías es la clave. Con el rápido crecimiento de la demanda de mejorando la densidad energética de las baterías, la tradicional batería de iones de litio Tecnología que se basa en materiales catódicos tradicionales y orgánicos. electrolitos ha encontrado cuellos de botella técnicos en el ciclo a largo plazo estabilidad, amplio rango de temperatura y seguridad. Comparado con el tradicional Baterías de iones de litio, las baterías de litio de estado sólido pueden atravesar el límite superior de densidad de energía. Por su excelente densidad energética y seguridad. características, también se ha convertido en la batería de próxima generación más prometedora tecnología. A pesar de esto, los materiales catódicos clásicos no pueden actualmente cumplir con los requisitos alta densidad de energía y requisitos de seguridad del litio en estado sólido baterías. Los materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio se han convertido en los más Materiales catódicos prometedores para baterías de litio de estado sólido debido a su capacidad específica de descarga: 250 mAh/g, densidad de energía: 1000 Wh/kg y bajo contenido de Co y Ni.

Sin embargo, debido a La baja conductividad electrónica y la obvia reacción redox irreversible, el La estructura de la interfaz está severamente degradada, lo que hace que el comportamiento cinético de Materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio durante la carga y descarga. dañado. El fenómeno de escape de oxígeno exacerba este comportamiento de falla de la interfaz, lo que conduce a la descomposición oxidativa del electrolito, que a su vez destruye la estabilidad de la interfaz entre materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio y electrolitos.

Construyendo y mantener una ruta de transporte estable de Li+ y eâ para el La batería en estado de funcionamiento es el requisito previo para promover el ciclo largo de baterías totalmente de estado sólido en condiciones prácticas. El equipo de investigación puede construir una vía estable y rápida de Li+/eâ in situ en el Material del cátodo/interfaz electrolito sólido ajustando el volumen/superficie. La estructura de la interfaz y el diseño innovador promueven la actividad de reacción redox. de oxígeno aniónico, y mejorar la reversibilidad de la reacción redox de aniónico oxígeno en la superficie del material del cátodo de litio en estado sólido batería a temperatura ambiente, estabilizando así el alto voltaje sólido-sólido interfaz.

Figura 1. Diagrama esquemático de la modificación de la estructura de interfaz a granel/superficie. estrategia de diseño de materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio

este estudio propuso una estrategia de síntesis de un solo paso para optimizar la interfaz masa/superficie estructura de materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio, y creó un material de cátodo a base de manganeso rico en litio (5W y LRMO) con un volumen Estructura integrada, dopaje W y revestimiento de superficie Li2WO4. esta estructura mejora la estabilidad estructural masiva del cátodo a base de manganeso rico en litio Materiales, mejora la cinética de transferencia de Li+/eâ y mejora significativamente la actividad redox del metal de transición. cationes y oxígeno aniónico. Compensación de carga de oxígeno aniónico redox. Se logran reacciones durante el proceso de carga y descarga, por lo que promover la reversibilidad de las reacciones redox de iones de oxígeno en la superficie de Materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio y estabilización del alto voltaje. interfaz sólido-sólido. La interfaz optimizada garantiza la carga y descarga. estabilidad en el rango de alto voltaje y mantiene una cinética de transferencia eficiente de Li+/e durante un largo período de ciclo, mejorando así la Tasa de utilización de sustancias activas en el material catódico compuesto.

Figura 2. Evolución de la cinética de transporte interfacial de Li+ de productos basados ​​en manganeso ricos en litio. materiales del cátodo durante el primer proceso de carga y descarga

este estudio reveló el proceso de evolución de la impedancia de la interfaz entre los cátodo a base de manganeso rico en litio y el electrolito por impedancia in situ Pruebas de espectroscopia (EIS) combinadas con análisis del tiempo de relajación (DRT). El El método propuesto permite la visualización del proceso de evolución de la interfaz durante la primera carga y descarga y el proceso de ciclo largo. El estudio profundamente comprende la evolución de la estructura de la interfaz entre los ricos en litio material catódico a base de manganeso y el electrolito antes y después modificación. Se ha descubierto que el cátodo a base de manganeso rico en litio El material antes de la modificación presenta una reacción redox irreversible aniónica y oxígeno. a alto voltaje, oxidando aún más la interfaz del cátodo y el electrolito, lo que resulta en un aumento significativo de la impedancia y dificulta la interfaz Transmisión Li+. Por el contrario, el compuesto modificado a base de manganeso rico en litio El material del cátodo exhibe una cinética de difusión de Li+ estable/rápida, especialmente a una alto voltaje de 4,6 V, minimizando el cambio en el valor de impedancia interfacial. Por lo tanto, se promueve una transmisión interfacial de Li+ más rápida y estable mediante mejorando la reversibilidad de la reacción redox del anión oxígeno. Es más fácil para Materiales de cátodo compuesto para lograr aplicaciones de grado industrial con un capacidad superficial de ~3 mAh/cm2 o incluso superior. A 25°C, la capacidad superficial del material del cátodo 5W y LRMO de alta carga superficial es 0,2 La tasa C es de aproximadamente 2,5 mAh/cm2 y la tasa de retención de capacidad es del 88,1 % después de 100 ciclos; a una tasa alta de 1 C, muestra una estabilidad de ciclo ultralarga, con una Tasa de retención de capacidad del 84,1% después de 1200 ciclos. La investigación proporciona una nueva forma de diseñar la estructura de interfaz a granel/superficie de ricos en litio Materiales catódicos a base de manganeso y una forma eficaz de mejorar la energía. densidad de las baterías de litio de estado sólido.

El 1 de octubre, el Los resultados de la investigación relevantes se publicaron en el Journal of the American. Sociedad Química bajo el títuloâBulk/Interfacial Diseño de estructura de cátodos basados ​​en Mn ricos en Li para litio de estado sólido Bateríasâ.

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