Wetenschappers van Tohoku University en de High Energy Accelerator Research Organization hebben een nieuwe complexe superionische hydride-lithiumgeleider ontwikkeld die zou kunnen resulteren in volledig solid-state batterijen met de hoogste energiedichtheid tot nu toe. De onderzoekers zeggen dat het nieuwe materiaal, bereikt door het ontwerpen van structuren van waterstofclusters (complexe anionen), vertoont een opmerkelijk hoge stabiliteit tegen lithiummetaal, wat het het ultieme anodemateriaal zou maken voor volledig solid-state batterijen.

Volledig solid-state batterijen met een lithiummetaalanode hebben het potentieel om de energiedichtheidsproblemen van conventionele lithium-ionbatterijen aan te pakken. Maar tot nu toe, hun gebruik in praktische cellen is beperkt door de hoge overdrachtsweerstand van lithiumionen, voornamelijk veroorzaakt door de instabiliteit van de vaste elektrolyt tegen lithiummetaal. Deze nieuwe vaste elektrolyt met een hoge ionische geleidbaarheid en hoge stabiliteit tegen lithiummetaal vertegenwoordigt daarom een ​​echte doorbraak voor volledig solid-state batterijen die een lithiummetaalanode gebruiken.

"We verwachten dat deze ontwikkeling niet alleen toekomstige inspanningen zal inspireren om superionische lithiumgeleiders te vinden op basis van complexe hydriden, maar opent ook een nieuwe trend op het gebied van vaste elektrolytmaterialen die kunnen leiden tot de ontwikkeling van elektrochemische apparaten met hoge energiedichtheid, " zei Sangryun Kim van de onderzoeksgroep van Shin-ichi Orimo aan de Tohoku University.

Achtergrond:

All-solid-state batterijen zijn veelbelovende kandidaten voor het oplossen van de intrinsieke nadelen van de huidige lithium-ionbatterijen, zoals elektrolytlekkage, ontvlambaarheid en beperkte energiedichtheid. Algemeen wordt aangenomen dat lithiummetaal het ultieme anodemateriaal is voor volledig solid-state batterijen, omdat het de hoogste theoretische capaciteit heeft (3860 mAh g ^-1 ) en het laagste potentiaal (-3,04 V vs. standaard waterstofelektrode) onder bekende anodematerialen.

Lithium-ion-geleidende vaste elektrolyten zijn een belangrijk onderdeel van volledig solid-state batterijen, omdat de ionische geleidbaarheid en stabiliteit van de vaste elektrolyt de prestaties van de batterij bepalen. Het probleem is dat de meeste bestaande vaste elektrolyten chemische/elektrochemische instabiliteit en/of slecht fysiek contact met lithiummetaal hebben, onvermijdelijk ongewenste nevenreacties op het grensvlak veroorzaken. Deze nevenreacties resulteren in een toename van de grensvlakweerstand, sterk verslechterende batterijprestaties tijdens herhaald fietsen.

Zoals blijkt uit eerdere onderzoeken, die strategieën voorstelde zoals het legeren van het lithiummetaal en interfacemodificatie, dit degradatieproces is zeer moeilijk aan te pakken omdat de oorsprong ligt in de hoge thermodynamische reactiviteit van de lithiummetaalanode met de elektrolyt. De belangrijkste uitdagingen bij het gebruik van de lithiummetaalanode zijn de hoge stabiliteit en de hoge lithiumionengeleidbaarheid van de vaste elektrolyt.

"Complexe hydriden hebben veel aandacht gekregen bij het aanpakken van de problemen die verband houden met de lithiummetaalanode vanwege hun uitstekende chemische en elektrochemische stabiliteit tegen de lithiummetaalanode, " zei Kim. "Maar vanwege hun lage ionische geleidbaarheid, het gebruik van complexe hydriden met de lithiummetaalanode is nooit geprobeerd in praktische batterijen. Dus we waren erg gemotiveerd om te zien of het ontwikkelen van complexe hydride die lithium superionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur vertoont, het gebruik van lithiummetaalanode mogelijk kan maken. En het werkte."