Kiinteän elektrolyytin vaihtelevat hiukkaskoot parantavat ionijohtavuutta

Täyskiinteät akut (ASSB) ovat saamassa jalansijaa energia- ja sähköajoneuvoteollisuudessa potentiaalisesti turvallisempina vaihtoehtoina markkinoilla nykyään oleville tavallisille, syttyville nestemäisille akuille. Tämän toteuttamisen tiellä on kuitenkin tällä hetkellä monimutkaisia haasteita.

Yksi tällainen haaste on litiumionien kuljetuksen ionijohtavuuden tehokkuuden parantaminen elektrodien sisällä. Ionikuljetusreiteillä on keskeinen rooli akun suorituskyvyssä, mutta kiinteän elektrolyytin hiukkasten tila voi vaikuttaa verkon rakenteeseen ja kokoonpanoon.

Kiinteärakenteisen elektrodin sisäiset hiukkaset ovat monimutkaisesti pakattuja, mikä pakottaa ionit kulkemaan kapeiden rakojen läpi. Tämä ionikuljetusreittien mutkittelevuus ja monimutkainen kiemurtelu ovat merkittävä johtavan resistanssin lähde.

Osakan metropoliyliopiston teknillisen tiedekunnan apulaisprofessori Shuji Ohsakin johtama tutkimusryhmä pyrki lyhentämään tietä ASSB:n todellisuuteen ja tutki, miten SE-hiukkasten koko vaikuttaa ionijohtavuuteen.

Tiimi valmisti kontrolloiduilla hiukkaskokojakaumilla varustettuja elektrodikerroksia säätämällä litiumfosforirikkikloridin (LPSCl), sulfidipohjaisen kiinteän elektrolyyttimateriaalin, jauhatusolosuhteita ja arvioi sitten rakenteen ja sähköiset ominaisuudet.

Diskreetti elementtimenetelmä (DEM) -tietokonesimulaatiota ja lyhimmän reitin algoritmia käytettiin visualisoimaan ja kvantifioimaan elektrodin mikroskooppisia ionijohtavuusreittejä.

Tutkijat havaitsivat, että elektrodin yleinen mutkittelevuus väheni, kun erikokoisia hiukkasia sekoitettiin, verrattuna tasakokoisista hiukkasista koostuviin elektrodeihin. Suuremmat hiukkaset tunkeutuivat pienempien hiukkasten klustereihin ja toimivat tehokkaasti ionien kuljetuksen ohitusreitteinä. Tämän seurauksena ionien kulkemien hiukkasten välisten rajapintojen määrä vähenee, mikä mahdollistaa lyhimpien kuljetusreittien muodostumisen.

"Tämä tutkimus tunnistaa hiukkaskokojakauman keskeiseksi tekijäksi, joka vähentää elektrodin mutkittelevuutta ja parantaa ionien kuljetusta", sanoo professori Ohsaki. ”Näiden havaintojen soveltaminen mahdollistaa kokonaan puolijohdeakkujen suorituskyvyn merkittävän parantamisen yksinkertaisesti optimoimalla olemassa olevien materiaalien hiukkaskokojakaumaa ilman, että tarvitsee kehittää kalliita uusia materiaaleja.

Aiheesta aiemmin:

Nano-tinavälikerros kiinteän olomuodon akuille

Uusi korkean jännitteen kiintoaine-elektrolyytti

Kiinteä elektrolyyttirajapinta uhrautuvan MoS2:n avulla