Schemi della nuova tecnologia di elaborazione delle soluzioni per SE di solfuro. Credito:Toyohashi University of Technology
Un gruppo di ricerca nel programma di dottorato del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Informazione della Toyohashi University of Technology che comprende uno studente di dottorato Hirotada Gamo e l'assistente professore appositamente nominato Jin Nishida, il professore associato appositamente nominato Atsushi Nagai, l'assistente professore Kazuhiro Hikima, il professor Atsunori Matsuda e altri, hanno sviluppato una tecnologia di produzione su larga scala di Li7 P3 S11 elettroliti solidi per batterie secondarie agli ioni di litio a stato solido.
Questo metodo prevede l'aggiunta di una quantità eccessiva di zolfo (S) insieme a Li2 S e P2 S5 , le materie prime di Li7 P3 S11 , ad un solvente contenente una miscela di acetonitrile (ACN), tetraidrofurano (THF) e una leggera quantità di etanolo (EtOH). Ciò ha contribuito a ridurre il tempo di reazione da 24 ore o più a soli due minuti. Il prodotto finale ottenuto con questo metodo è Li7 altamente puro P3 S11 senza una fase di impurità che ha mostrato un'elevata conducibilità ionica di 1,2 mS cm -1 a 25°C. Questi risultati ci consentono di produrre una grande quantità di elettroliti solidi solfuri per batterie completamente a stato solido a basso costo. I risultati della ricerca sono stati pubblicati online da Advanced Energy and Sustainability Research il 28 aprile 2022.
Dettagli
Si prevede che le batterie allo stato solido rappresenteranno la prossima generazione di batterie per veicoli elettrici (EV) perché sono molto sicure e consentono una transizione verso un'elevata densità di energia e un'elevata potenza di uscita. Gli elettroliti solidi di solfuro, che mostrano una buona conduttività ionica e plasticità, sono stati attivamente sviluppati in vista delle applicazioni per le batterie a stato solido nei veicoli elettrici. Tuttavia, nessuna tecnologia di produzione su larga scala per elettroliti solidi solfuri è stata stabilita a livello di commercializzazione, poiché gli elettroliti solidi solfuri sono instabili nell'atmosfera e il processo per sintetizzarli ed elaborarli richiede il controllo atmosferico. Per questo motivo, è urgente sviluppare la tecnologia di produzione in fase liquida di elettroliti solidi solfuri che offra un basso costo e un'elevata scalabilità.
Li7 P3 S11 gli elettroliti solidi mostrano un'elevata conduttività ionica e quindi sono un elettrolita solido candidato per le batterie a stato solido. La sintesi in fase liquida di Li7 P3 S11 generalmente si verifica in un solvente di reazione acetonitrile (ACN) tramite precursori inclusi composti insolubili. I processi di reazione convenzionali come questo richiedono molto tempo poiché attraversano una reazione cineticamente svantaggiosa da un materiale di partenza insolubile a un intermedio insolubile. Peggio ancora, è possibile che l'intermedio insolubile crei disuniformità attraverso una complicata formazione di fasi, portando ad un aumento dei costi di produzione su larga scala.
In questo contesto, il gruppo di ricerca ha lavorato allo sviluppo di una tecnologia per la produzione in fase liquida di Li7 ad alta conduttività ionica P3 S11 elettroliti solidi tramite soluzioni precursori uniformi. È stato dimostrato che il metodo recentemente sviluppato può ottenere una soluzione di precursore uniforme contenente polisolfuro di litio solubile (Li2 Sx ) in soli due minuti, aggiungendo Li2 S e P2 S5 , le materie prime di Li7 P3 S11 e una quantità eccessiva di S in un solvente contenente una miscela di ACN, THF e una piccola quantità di EtOH. La chiave per la rapida sintesi in questo metodo è la formazione di polisolfuro di litio attraverso l'aggiunta di una piccola quantità di EtOH o una quantità eccessiva di S.
Per chiarire il meccanismo della reazione in questo metodo, è stata utilizzata la spettroscopia ultravioletta-visibile (UV-Vis) per studiare la stabilità chimica di Li2 Sx con e senza l'aggiunta di EtOH. Lo studio ha mostrato che la presenza di EtOH produce Li2 Sx chimicamente più stabile. Pertanto, la reazione in questo metodo richiederebbe i seguenti passaggi. Innanzitutto, gli ioni di litio sono fortemente coordinati con EtOH, un solvente altamente polare. Successivamente, la schermatura degli ioni polisolfuro contro gli ioni di litio stabilizza l'S3 altamente reattivo ･ - anioni radicali che sono una specie di polisolfuro. L'S3 generato ･ - attacca il P2 S5, rottura della struttura a gabbia di P2 S5 e facendo progredire la reazione. La reazione forma tiofosfato di litio che si dissolve in un solvente misto altamente solubile contenente solventi ACN e THF. Ciò potrebbe aver contribuito a ottenere soluzioni di precursori uniformi molto rapidamente. Il prodotto finale, Li7 P3 S11 , potrebbe essere preparato in due ore senza la necessità di macinazione a palle o trattamento ad alta energia nel processo di reazione.
La conducibilità ionica del Li7 P3 S11 ottenuto utilizzando questo metodo era 1,2 mS cm -1 a 25 °C, superiore al Li7 P3 S11 sintetizzato utilizzando il metodo di sintesi convenzionale in fase liquida (0,8 mS cm -1 ) o fresatura a sfere (1,0 mS cm -1 ). Il metodo propone un nuovo percorso per la sintesi di un elettrolita solido solfuro e raggiunge una tecnologia di produzione su larga scala a basso costo.
Prospettive future
Il team di ricerca ritiene che la tecnologia a basso costo per la produzione su larga scala di elettroliti solidi solfuri per batterie a stato solido proposta in questa ricerca potrebbe essere importante nella commercializzazione di veicoli elettrici dotati di batterie a stato solido. La ricerca si è concentrata su Li7 P3 S11 per l'uso come elettrolita solido solfuro. Vogliamo applicare questa tecnologia anche alla sintesi di elettroliti solidi solfuri diversi da Li7 P3 S11 . + Esplora ulteriormente
