O Prof. Ma Cheng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) e seus colaboradores propuseram uma estratégia eficaz para resolver o problema de contato eletrodo-eletrólito que está limitando o desenvolvimento de baterias de Li de estado sólido de próxima geração. O eletrodo composto sólido-sólido criado dessa forma exibiu capacidades e desempenho de taxa excepcionais.

Substituir o eletrólito líquido orgânico em baterias convencionais de íon-lítio por eletrólitos sólidos pode aliviar muito os problemas de segurança, e potencialmente quebrar o "teto de vidro" para melhoria da densidade de energia. Contudo, os principais materiais do eletrodo também são sólidos. Uma vez que o contato entre dois sólidos é quase impossível ser tão íntimo quanto aquele entre sólido e líquido, no momento, as baterias baseadas em eletrólitos sólidos exibem tipicamente contato eletrodo-eletrólito pobre e desempenhos insatisfatórios de célula cheia.

"O problema de contato eletrodo-eletrólito das baterias de estado sólido é algo como a haste mais curta de um barril de madeira, "disse o Prof. Ma Cheng da USTC, o principal autor do estudo. "Na realidade, ao longo desses anos, os pesquisadores já desenvolveram muitos eletrodos e eletrólitos sólidos excelentes, mas o mau contato entre eles ainda limita a eficiência do transporte de íons de lítio. "

Felizmente, A estratégia de Ma pode superar esse desafio formidável. O estudo começou com o exame átomo por átomo de uma fase de impureza em um protótipo, eletrólito sólido com estrutura perovskita. Embora a estrutura do cristal difira muito entre a impureza e o eletrólito sólido, foram observados para formar interfaces epitaxiais. Depois de uma série de análises químicas e estruturais detalhadas, os pesquisadores descobriram que a fase de impureza é isoestrutural com os eletrodos em camadas ricos em Li de alta capacidade. Quer dizer, um protótipo de eletrólito sólido pode cristalizar no "molde" formado pela estrutura atômica de um eletrodo de alto desempenho, resultando em interfaces atomicamente íntimas.

"Esta é realmente uma surpresa, "disse o primeiro autor Li Fuzhen, que atualmente é aluno de graduação da USTC. “A presença de impurezas no material é na verdade um fenômeno muito comum, tão comuns que na maioria das vezes serão ignorados. Contudo, depois de dar uma olhada neles, descobrimos este comportamento epitaxial inesperado, e inspirou diretamente nossa estratégia para melhorar o contato sólido-sólido. "

Aproveitando o fenômeno observado, os pesquisadores cristalizaram intencionalmente o pó amorfo com a mesma composição do eletrólito sólido estruturado por perovskita na superfície de um composto em camadas rico em Li, e realizou com sucesso um completo, contato contínuo entre esses dois materiais sólidos em um eletrodo composto. Com o problema de contato eletrodo-eletrólito resolvido, tal eletrodo de compósito sólido-sólido forneceu uma capacidade de taxa até mesmo comparável àquela de um eletrodo de compósito sólido-líquido. Mais importante, os pesquisadores também descobriram que este tipo de contato sólido-sólido epitaxial pode tolerar grandes incompatibilidades de rede, e, portanto, a estratégia que eles propuseram também poderia ser aplicável a muitos outros eletrólitos sólidos de perovskita e eletrodos em camadas.

“Este trabalho apontou uma direção que vale a pena seguir, "Disse Ma." Aplicar o princípio levantado aqui a outros materiais importantes pode levar a um desempenho celular ainda melhor e a uma ciência mais interessante. Estamos ansiosos por isso. "Os pesquisadores pretendem continuar sua exploração nesta direção, e aplicar a estratégia proposta a outros de alta capacidade, cátodos de alto potencial.

O estudo é publicado em Matéria , um jornal da Cell Press, intitulado "Contato Atomicamente Íntimo entre Eletrólitos Sólidos e Eletrodos para Baterias de Li".