На шаг ближе к литий-металлическим батареям, работающим при минимальном внешнем давлении

Группа исследователей аккумуляторов под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего и Чикагского университета разработала новую методологию производства потенциально революционного тонкопленочного твердотельного электролита под названием оксинитрид лития-фосфора (LiPON). Команда продолжила использовать свою отдельно стоящую версию пленки LiPON в функциональных испытаниях аккумуляторов и обнаружила, что она способствует равномерному плотному электрохимическому осаждению металлического лития при нулевом внешнем давлении с помощью внутреннего сжимающего напряжения и слоя затравки золота. Эта работа, выполненная группой исследователей аккумуляторов под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего и Чикагского университета, была опубликована в журнале Nature Nanotechnology 3 августа 2023 года.

Исследовательскую группу возглавляет исследователь аккумуляторов и профессор Ин Ширли Мэн, которая работает как с Чикагским университетом, так и с Калифорнийским университетом в Сан-Диего. Первый автор — Дийи Ченг, недавно получивший докторскую степень. в программе материаловедения и инженерии Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего, который продолжает свои исследовательские усилия в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. В команду также входят исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса и Калифорнийского университета в Беркли.

LiPON — это тонкопленочный твердотельный электролит, который проводит ионы лития и имеет большие перспективы для сочетания с широким спектром электродных материалов для индустрии литиевых батарей будущего. Однако существующие методы производства LiPON не позволяют исследователям полностью понять материал. Теперь команда нашла способ производить этот многообещающий твердотельный электролит в отдельно стоящей форме, что позволяет более полно изучать LiPON. Новый подход к созданию LiPON также открыл возможности для использования этого твердотельного электролита для создания литий-металлических твердотельных батарей, которые могли бы работать при минимальном внешнем давлении.

LiPON был первоначально разработан группой ученых из Национальной лаборатории Ок-Ридж в 1992 году. Несмотря на непрерывные исследовательские усилия в течение последних трех десятилетий, по-прежнему отсутствует глубокое понимание внутренних свойств LiPON и связанных с ним интерфейсов, что сдерживает перспективы и развитие. из материалов LiPON. Несколько факторов, приводящих к этой дилемме, включают в себя:

Учитывая известные проблемы изучения LiPON, команда разработала новую методологию производства пленки LiPON в отдельно стоящей форме. В результате получается гибкая и прозрачная отдельно стоящая пленка LiPON (FS-LiPON), совместимая с широким спектром спектроскопических методов, которая имеет больше шансов раскрыть уникальные свойства LiPON по сравнению с методами, основанными на дифракции. Это достижение привело к новым открытиям, описанным в новой статье Nature Nanotechnology о межфазной химии, тепловых и механических свойствах LiPON. Статистика включает в себя:

Помимо получения новых фундаментальных сведений о LiPON, исследовательская группа также внедрила новую автономную версию твердотельного электролита в функциональных тестах аккумуляторов. Команда сообщает, что тонкая пленка FS-LiPON способствует равномерно плотному электрохимическому осаждению металлического лития при нулевом внешнем давлении с помощью внутреннего сжимающего напряжения и слоя золотых затравок. Это открытие дает ценные подсказки относительно проектирования интерфейсов в объемных твердотельных батареях.

Тонкопленочные батареи на основе LiPON продемонстрировали большой потенциал для носимых устройств и других компактных электронных устройств, имеющих гигантский рынок. Пленка FS-LiPON, полученная в этой работе, описана Diyi Cheng et al. in Nature Нанотехнологии позволили провести углубленные дискуссии по межфазной химии, ионной диффузии и разработке интерфейсов, которые пролили свет как на основы, так и на применение материалов LiPON и могут во многих отношениях принести пользу разработке литиевых твердотельных батарей.

«Отдельностоящий тонкопленочный электролит из оксинитрида лития и фосфора способствует равномерному плотному осаждению металлического лития без внешнего давления», в журнале Nature Nanotechnology от 3 августа 2023 года.