Door koolstofatomen toe te voegen aan een nieuw type vaste lithium-ionbatterij, kan deze sneller en veiliger worden opgeladen.

Solid-state lithium-ionbatterijen kunnen de veiligheid drastisch verbeteren, spanning en energiedichtheid vergeleken met de huidige batterijen, die vloeibare componenten gebruiken. Ze kunnen worden gebruikt in elektrische voertuigen, evenals in vermogenselektronica. Echter, ze zijn nog in een vroeg stadium van ontwikkeling, met zeer weinig gecommercialiseerd tot nu toe.

In nieuw onderzoek door een internationale samenwerking onder leiding van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wetenschapper Brandon Wood en Mirjana Dimitrievska van het National Institute of Standards and Technology (NIST), het team ontdekte waarom het vervangen van één booratoom door één koolstofatoom in een belangrijk batterijelektrolytmateriaal ervoor zorgde dat lithiumionen nog sneller bewegen, wat aantrekkelijk is voor een robuustere solid-state batterij. Dit is een voorbeeld van wat wetenschappers 'frustratie' noemen:de dynamiek van het systeem zorgt ervoor dat lithium nooit tevreden is met zijn huidige positie, dus het is altijd in beweging. Het onderzoek verschijnt in de editie van 20 februari van Geavanceerde energiematerialen .

"Omdat de belangrijkste functionaliteit van elektrolyten het transport van ionen is, het is een mooie vondst, ' zei Hout.

Een van de belangrijkste obstakels is het kleine aantal kandidaat-vaste elektrolytmaterialen die lithiumionen efficiënt tussen de accupolen kunnen pendelen. In een gewone batterij, dit kan eenvoudig door middel van een vloeistof, maar vaste materialen die dit kunnen zijn uiterst zeldzaam. Sommige van de beschikbare materialen hebben stabiliteitsproblemen. Andere zijn moeilijk te verwerken. De meeste van de overgebleven kandidaten zijn gewoon te traag in het verplaatsen van lithiumionen, wat betekent dat ze heel dun moeten worden gemaakt om effectief te zijn.

Het nieuwe werk richt zich op één materiaal binnen een nieuwe klasse van materialen, closo-boraten, waarvan onlangs werd ontdekt dat het een snelle mobiliteit van lithiumionen heeft. Volgens Hout, closo-boraten zijn elektrochemisch stabiel en kunnen gemakkelijk worden verwerkt, biedt een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van de concurrentie. Hoewel er nog enkele belemmeringen zijn voor commercialisering:hogere thermische stabiliteit, mechanische sterkte en recycleerbaarheid zijn de huidige focus - deze nieuwe klasse is een aantrekkelijke potentiële vervanging voor de huidige vaste elektrolyten.

"Een ander belangrijk voordeel van closo-boraten is hun inherente afstembaarheid, " zei LLNL postdoctoraal onderzoeker Patrick Shea, die enkele van de analyse-instrumenten heeft ontwikkeld die in het onderzoek zijn gebruikt. "Ze kunnen gemakkelijk worden gelegeerd, evenals structureel en chemisch gewijzigd. Vaak, deze veranderingen kunnen hun gedrag drastisch veranderen."

Medewerkers van Sandia National Laboratories en NIST werkten aan het aanpassen van deze materialen om ze nog beter te maken. Ze ontdekten dat de vervanging van een booratoom door een koolstofatoom ervoor zorgt dat lithiumatomen nog sneller bewegen.

Begrijpen hoe en waarom dit gebeurt, vereist diepgaande modellering van mechanismen van lithiumiontransport door de vaste matrix, evenals gedetailleerde experimentele karakterisering om de modellen te begeleiden en te valideren. Het team gebruikte een geavanceerde kwantummechanische modelleringstechniek - ab initio moleculaire dynamica - en combineerde deze met een high-fidelity experimentele techniek, quasielastische neutronenverstrooiing.

Het elektrolytmateriaal is een zout dat bestaat uit positief geladen lithiumkationen en negatief geladen closoboraatanionen. Uit het onderzoek bleek dat de closo-boraat-anionen zich snel heroriënteren, ronddraaien in de vaste matrix terwijl ze afwisselen tussen specifieke voorkeursrichtingen. De toevoeging van koolstof aan het closo-boraat anion creëert een zogenaamde dipool, die lithium afstoot in de lokale omgeving van het koolstofatoom. Terwijl het anion draait, het koolstofatoom staat in verschillende richtingen, elke keer dwingt lithium zich te verplaatsen naar een nabijgelegen plaats in de vaste matrix. Omdat het zout vol spinnende anionen is, dit resulteert in een zeer snelle beweging van lithium.

"Nu we de gunstige gevolgen begrijpen, we kunnen beginnen na te denken over hoe we soortgelijke effecten kunnen introduceren door chemische modificatie van het anion zelf, Wood zei. "We kunnen ook gaan nadenken over hoe structuur en chemie met elkaar samenhangen, die aanwijzingen kunnen geven over hoe structurele modificaties van het materiaal verdere verbeteringen kunnen genereren."

Joel Varley, een LLNL materiaalwetenschapper en co-auteur van het papier, toegevoegd:"Het is een vroege stap in de richting van de ontwikkeling van een nieuwe klasse van robuuste vaste elektrolyten met ultrahoge mobiliteit van lithiumionen, biedt een aantrekkelijk alternatief voor de huidige solid-state batterijontwerpen. Het algemene ontwerpprincipe kan ook nuttig zijn voor het optimaliseren van andere vaste elektrolytmaterialen waar moleculaire rotaties een rol spelen."