เมื่อวันที่ 21 สิงหาคม ศาสตราจารย์เอ็มเอ เฉิง จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) และคณะ ได้เสนอกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพในการแก้ไขปัญหาการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตรุ่นใหม่ อิเล็กโทรดคอมโพสิตแบบโซลิด-โซลิดที่สร้างขึ้นด้วยวิธีนี้แสดงให้เห็นถึงความจุและประสิทธิภาพการทำงานที่โดดเด่น
การเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์ของเหลวอินทรีย์ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิมเป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็งสามารถบรรเทาปัญหาด้านความปลอดภัยได้อย่างมาก และอาจทำลาย “เพดานกระจก” สำหรับการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน อย่างไรก็ตาม วัสดุอิเล็กโทรดทั่วไปก็เป็นของแข็งเช่นกัน เนื่องจากการสัมผัสระหว่างของแข็งสองชนิดนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะมีความใกล้ชิดกันเท่ากับการสัมผัสระหว่างของแข็งและของเหลว ในปัจจุบัน แบตเตอรี่ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ของแข็งมักจะมีการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ดีนัก และประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์เต็มเซลล์ที่ไม่น่าพอใจ
“ปัญหาการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่โซลิดสเตตนั้นค่อนข้างคล้ายกับท่อนไม้ที่สั้นที่สุดของถังไม้” ศาสตราจารย์เอ็มเอ เฉิง จาก USTC หัวหน้าทีมวิจัยกล่าว “ที่จริงแล้ว ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้พัฒนาอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์โซลิดคุณภาพสูงมากมาย แต่การสัมผัสที่ไม่ดีระหว่างอิเล็กโทรไลต์ทั้งสองชนิดยังคงเป็นข้อจำกัดต่อประสิทธิภาพในการขนส่งลิเธียมไอออน”
โชคดีที่กลยุทธ์ของ MA อาจเอาชนะความท้าทายอันน่าเกรงขามนี้ได้ การศึกษาเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบเฟสสิ่งเจือปนในต้นแบบอิเล็กโทรไลต์ของแข็งที่มีโครงสร้างเพอรอฟสไกต์ทีละอะตอม แม้ว่าโครงสร้างผลึกจะแตกต่างกันอย่างมากระหว่างสิ่งเจือปนและอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง แต่ก็พบว่าเฟสสิ่งเจือปนเหล่านี้ก่อตัวเป็นอินเทอร์เฟซแบบเอพิแทกเซียล หลังจากการวิเคราะห์โครงสร้างและเคมีอย่างละเอียดหลายครั้ง นักวิจัยพบว่าเฟสสิ่งเจือปนมีโครงสร้างแบบไอโซสตรัคเจอร์กับอิเล็กโทรดแบบชั้นที่มีความจุสูงซึ่งอุดมด้วยลิเธียม กล่าวคือ อิเล็กโทรไลต์ของแข็งต้นแบบสามารถตกผลึกบน "แม่แบบ" ที่สร้างขึ้นจากโครงสร้างอะตอมของอิเล็กโทรดประสิทธิภาพสูง ส่งผลให้เกิดอินเทอร์เฟซที่ใกล้ชิดกันในระดับอะตอม
“นี่เป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจจริงๆ” หลี่ ฟูเจิ้น ผู้เขียนคนแรก ซึ่งปัจจุบันเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ USTC กล่าว “การปรากฏของสิ่งเจือปนในวัสดุเป็นปรากฏการณ์ที่พบได้บ่อยมาก จนส่วนใหญ่มักจะถูกมองข้าม อย่างไรก็ตาม หลังจากพิจารณาอย่างละเอียดแล้ว เราค้นพบพฤติกรรมเอพิแทกเซียลที่ไม่คาดคิดนี้ และมันเป็นแรงบันดาลใจโดยตรงต่อกลยุทธ์ของเราในการปรับปรุงการสัมผัสระหว่างของแข็ง”
เมื่อเทียบกับวิธีการอัดเย็นที่ใช้กันทั่วไป กลยุทธ์ที่นักวิจัยเสนอสามารถสร้างการสัมผัสที่ละเอียดและราบรื่นระหว่างอิเล็กโทรไลต์ของแข็งและอิเล็กโทรดในระดับอะตอมได้ ดังที่ปรากฏในภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีความละเอียดระดับอะตอม (จัดทำโดยทีมงานของ MA)
โดยใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ นักวิจัยได้ตั้งใจตกผลึกผงอสัณฐานที่มีองค์ประกอบเดียวกันกับอิเล็กโทรไลต์แข็งที่มีโครงสร้างเป็นเพอรอฟสไกต์บนพื้นผิวของสารประกอบแบบชั้นที่อุดมด้วยลิเธียม และประสบความสำเร็จในการสร้างการสัมผัสที่ไร้รอยต่อระหว่างวัสดุแข็งทั้งสองชนิดนี้ในอิเล็กโทรดคอมโพสิต เมื่อแก้ไขปัญหาการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์แล้ว อิเล็กโทรดคอมโพสิตแบบของแข็ง-ของแข็งดังกล่าวให้ความสามารถในการวัดอัตราเร็วที่เทียบเท่ากับอิเล็กโทรดคอมโพสิตแบบของแข็ง-ของเหลว ที่สำคัญกว่านั้น นักวิจัยยังพบว่าการสัมผัสแบบของแข็ง-ของแข็งแบบเอพิแทกเซียลประเภทนี้สามารถทนต่อความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายขนาดใหญ่ได้ ดังนั้นกลยุทธ์ที่พวกเขาเสนอจึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับอิเล็กโทรไลต์แข็งและอิเล็กโทรดแบบชั้นอื่นๆ อีกมากมายของเพอรอฟสไกต์ได้
“งานวิจัยนี้ชี้ให้เห็นทิศทางที่ควรค่าแก่การแสวงหา” เอ็มเอกล่าว “การนำหลักการที่นำเสนอในที่นี้ไปใช้กับวัสดุสำคัญอื่นๆ อาจนำไปสู่ประสิทธิภาพของเซลล์ที่ดีขึ้นและวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจยิ่งขึ้น เรากำลังรอคอยสิ่งนี้อยู่”
นักวิจัยตั้งใจที่จะสำรวจต่อไปในทิศทางนี้ และนำกลยุทธ์ที่เสนอไปใช้กับแคโทดที่มีความจุและศักย์สูงชนิดอื่นๆ
งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Matter ซึ่งเป็นวารสารหลักของ Cell Press หัวข้อ “การสัมผัสอย่างใกล้ชิดระหว่างอิเล็กโทรไลต์แข็งและอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม” ผู้เขียนคนแรกคือ หลี่ ฟู่เจิ้น นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ USTC ผู้ร่วมวิจัยของศาสตราจารย์เอ็มเอ เฉิง ได้แก่ ศาสตราจารย์หนาน เซ-เหวิน จากมหาวิทยาลัยชิงหวา และ ดร.โจว หลิน จากห้องปฏิบัติการเอมส์
(คณะเคมีและวัสดุศาสตร์)
ลิงก์เอกสาร: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
เวลาโพสต์: 03 มิ.ย. 2562