Veel mobiele apparaten werken op lithium-ionbatterijen, die kleiner zou kunnen zijn, aansteker, veiliger en efficiënter als de vloeibare elektrolyten die ze bevatten worden vervangen door vaste stoffen. Een veelbelovende kandidaat voor een elektrolyt in vaste toestand is een nieuwe klasse materialen op basis van lithiumverbindingen, gepresenteerd door natuurkundigen uit Zwitserland en Polen.

In de handel verkrijgbare lithium-ionbatterijen bestaan ​​uit twee elektroden die zijn verbonden door een vloeibare elektrolyt. Deze elektrolyt maakt het moeilijk voor ingenieurs om de grootte en het gewicht van de batterij te verminderen. Aanvullend, ze zijn onderhevig aan lekkage; het lithium in de blootliggende elektroden komt dan in contact met zuurstof in de lucht en ondergaat zelfontbranding. Dit probleem veroorzaakte het volledig aan de grond houden van Dreamliner-vluchten, een spectaculair voorbeeld van de problemen die het gebruik van moderne lithium-ionbatterijen met zich meebrengt.

Laboratoria zijn al jaren op zoek naar vaste materialen die vloeibare elektrolyten kunnen vervangen. De meest populaire kandidaten zijn verbindingen waarin lithiumionen zijn omgeven door zwavel- of zuurstofionen. Echter, in het journaal Geavanceerde energiematerialen , een Zwitsers-Pools team van wetenschappers heeft een nieuwe klasse van ionische verbindingen gepresenteerd waarbij de ladingsdragers lithiumionen zijn die bewegen in een omgeving van amine (NH2) en tetrahydroboraat (BH4) ionen. Het experimentele deel van het onderzoeksproject werd uitgevoerd bij Empa, de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en -technologie in Dübendorf, en aan de Universiteit van Genève (UG), geleid door Prof. Zbigniew Lodziana van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau.

"We hadden te maken met lithiumamide-boorhydride, een stof die voorheen als een ontoereikende ionengeleider werd beschouwd. Deze verbinding wordt gemaakt door twee bestanddelen in een verhouding van één op drie te malen. Daten, niemand heeft ooit getest wat er met de ionische geleidbaarheid gebeurt als de verhoudingen tussen deze bestanddelen worden veranderd. Wij waren de eersten die dat deden, en het bleek dat door het aantal NH2-groepen te verminderen tot een bepaalde limiet, we konden de geleidbaarheid aanzienlijk verbeteren. Het neemt zo sterk toe dat het vergelijkbaar wordt met de geleidbaarheid van vloeibare elektrolyten, " zegt prof. Lodziana.

Deze enorme boost in ionische geleidbaarheid opent een nieuwe, onontgonnen richting in de zoektocht naar een elektrolyt in vaste toestand. Eerder, de focus lag vrijwel uitsluitend op veranderingen in de samenstelling van de chemische stof. Het is nu duidelijk geworden dat in het productiestadium van de verbinding, a de verhoudingen van de ingrediënten die worden gebruikt om ze te vervaardigen zijn van cruciaal belang.

"Ons lithiumamide-boorhydride is een vertegenwoordiger van een veelbelovende nieuwe klasse van vastestofelektrolytmaterialen. het zal nog enige tijd duren voordat batterijen die op dergelijke verbindingen zijn gebouwd, in gebruik worden genomen. Bijvoorbeeld, er mogen geen chemische reacties zijn tussen de elektrolyt en de elektroden die leiden tot hun degradatie. Dit probleem wacht nog op een optimale oplossing, " zegt prof. Lodziana.

De onderzoeksperspectieven zijn veelbelovend. De wetenschappers beperkten zich niet alleen tot het karakteriseren van de fysisch-chemische eigenschappen van het nieuwe materiaal. De verbinding werd gebruikt als elektrolyt in een typische Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ halve cel. De halfcel presteerde goed in tests van uitputting en opladen, stabiel over 400 cycli. De onderzoekers hebben veelbelovende stappen gezet om een ​​ander belangrijk probleem op te lossen. Het in de publicatie beschreven lithiumamide-boorhydride vertoonde slechts bij ongeveer 40°C een uitstekende ionische geleidbaarheid. In de meest recente experimenten, deze is al verlaagd tot onder kamertemperatuur.

theoretisch, echter, het nieuwe materiaal blijft een uitdaging. Eerder, onderzoekers hebben modellen geconstrueerd voor stoffen waarin de lithiumionen in een atomaire omgeving bewegen. In het nieuwe materiaal ionen bewegen tussen lichtmoleculen die hun oriëntatie aanpassen om de lithiumbeweging te vergemakkelijken.

"In het voorgestelde model de uitstekende ionische geleidbaarheid is een gevolg van de specifieke constructie van het kristalrooster van het geteste materiaal. Dit netwerk bestaat in feite uit twee subroosters. Het blijkt dat de lithiumionen hier in de elementaire cellen van slechts één subrooster aanwezig zijn. Echter, de diffusiebarrière tussen de subroosters is laag. Onder passende voorwaarden, de ionen reizen dus naar de tweede, leeg onderrooster, waar ze vrij vrij kunnen bewegen, " legt prof. Lodziana uit.

Dit verklaart slechts enkele van de waargenomen kenmerken van het nieuwe materiaal. De mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de hoge geleidbaarheid zijn zeker complexer. Verder onderzoek zou de zoektocht naar optimale verbindingen voor een vastestofelektrolyt aanzienlijk moeten versnellen en bijgevolg het proces van commercialisering van nieuwe stroombronnen die waarschijnlijk een revolutie teweeg zullen brengen in draagbare elektronica, aanzienlijk verkorten.