de.wedoany.com-Bericht: Das Forschungsteam von Wu Jianfei am Qingdaoer Institut für Bioenergie und Bioprozessforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat das Konzept eines elektronisch-ionisch kooperativen Leitungsnetzwerks vorgeschlagen und systematisch validiert, was ein neues Materialdesignparadigma zur Überwindung des Engpasses des ultraschnellen Ladens von vollständig festen Batterien bietet.
Schwefelbasierte vollständig feste Batterien gelten aufgrund ihrer hohen Energiedichte und hervorragenden Sicherheit als wichtige Entwicklungsrichtung für die nächste Generation von Antriebsbatterien und als strategischer Höhepunkt des globalen Wettbewerbs im Bereich neuer Energietechnologien. Während des Hochraten-Lade- und Entladevorgangs koppeln Probleme wie langsame Elektronenübertragung in der Anode, eingeschränkte Lithiumionendiffusion, fortschreitende Verschlechterung der Fest-Fest-Grenzfläche und Dendritenwachstum miteinander, was die Ratenleistung und Zyklenlebensdauer von vollständig festen Batterien erheblich einschränkt und einen kritischen wissenschaftlichen Engpass in diesem Bereich darstellt.
Um dieses Problem zu lösen, schlug das Forschungsteam des Qingdaoer Instituts für Energieverfahrenstechnik eine Designstrategie für ein elektronisch-ionisch kooperatives Leitungsnetzwerk (EICN) vor und entwickelte eine neuartige quaternäre Legierungsanode aus Li–Al–Si–Zn (ASZ@Li). Diese Legierungsanode besteht aus mehreren Phasen von Lithium-Aluminium, Lithium-Zink und Lithium-Silizium. Dabei bildet die Lithium-Aluminium-Phase kontinuierliche Elektronentransportwege; die Lithium-Zink-Phase zeigt eine starke Lithiophilie und fungiert als schneller, gleichmäßiger Kanal für den Lithiumionentransport; die siliziumreiche Region ist für die reversible Speicherung von Lithium und die Pufferung von Volumenänderungen verantwortlich. Die drei Phasen arbeiten zusammen, um eine Einheit von elektronischer Leitfähigkeit, Ionentransport und struktureller Stabilität zu erreichen. Darüber hinaus weist diese Legierungsanode eine hervorragende chemische und elektrochemische Stabilität gegenüber schwefelbasierten Elektrolyten auf, sodass keine zusätzliche künstliche Schutzschicht für die Festelektrolyt-Grenzfläche erforderlich ist, was das Grenzflächendesign und den Herstellungsprozess von vollständig festen Batterien vereinfacht.
Dank des EICN-Strukturdesigns zeigt die vollständig feste Batterie, bei der die ASZ@Li-Legierungsanode mit einer Ni90-Hochnickel-Kathode kombiniert wird, bei 55 °C eine hohe Ratenleistung. Sie kann einen vollständigen Lade- und Entladezyklus in nur 72 Sekunden abschließen und behält auch nach Tausenden von Zyklen eine hohe Kapazität bei, was ihr Potenzial für praktische Anwendungen zeigt.
Durch weitere Untersuchungen klärte das Forschungsteam den tiefgreifenden Arbeitsmechanismus des elektronisch-ionisch kooperativen Leitungsnetzwerks auf. Die Studie ergab, dass die Einführung von Aluminium die elektronische Leitfähigkeit des Materials effektiv verbessert, während Zink die Lithiophilie des Materials erhöht und die Migrationsbarriere für Lithiumionen senkt. Beide Elemente ermöglichen gemeinsam einen koordinierten schnellen Transport von Elektronen und Lithiumionen.
Forscher Wu Jianfei vom Qingdaoer Institut für Energieverfahrenstechnik erklärte, dass dieses Design grundlegend den Grenzflächenwiderstand reduziert, die Zersetzung des schwefelbasierten Elektrolyten unterdrückt und eine stabile Grenzflächenstruktur aufrechterhält, wodurch die Zyklenstabilität von vollständig festen Batterien unter Hochratenbedingungen verbessert wird.
