Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology hebben een van de belangrijkste nadelen van volledig solid-state batterijen aangepakt door batterijen te ontwikkelen met een lage weerstand op hun elektrode/vast elektrolyt-interface. De gefabriceerde batterijen vertoonden uitstekende elektrochemische eigenschappen die die van de nu alomtegenwoordige Li-ionbatterijen aanzienlijk overtreffen, en demonstreert daarmee de belofte van volledig solid-state batterijtechnologie en het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in draagbare elektronica.

Veel consumenten zijn bekend met oplaadbare lithium-ionbatterijen, die zich in de afgelopen decennia hebben ontwikkeld, en zijn nu gebruikelijk in allerlei elektronische apparaten. Ondanks hun brede gebruik, wetenschappers en ingenieurs zijn van mening dat de traditionele Li-ion-batterijtechnologie zijn volledige potentieel al nadert en dat er nieuwe soorten batterijen nodig zijn.

All-solid-state batterijen zijn een nieuw type Li-ion batterij, en er is aangetoond dat ze potentieel veiligere en stabielere energieopslagapparaten zijn met hogere energiedichtheden. Echter, het gebruik van dergelijke batterijen is beperkt vanwege een groot nadeel:hun weerstand op het elektrode/vaste elektrolyt-interface is te hoog, snel opladen en ontladen belemmeren.

Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology en Tohoku University, onder leiding van professor Taro Hitosugi, gefabriceerde volledig solid-state batterijen met extreem lage interfaceweerstand met behulp van Li (Ni _0,5 Mn _1.5 )O ₄ (LNMO), door hun batterijen te fabriceren en te meten onder ultrahoge vacuümomstandigheden, ervoor te zorgen dat de elektrolyt/elektrode-interfaces vrij waren van onzuiverheden.

De structuur van deze volledig solid-state batterijen wordt getoond in figuur 1. Na fabricage, de elektrochemische eigenschappen van deze batterijen werden gekarakteriseerd om licht te werpen op de Li-ion-distributie rond de interface. Röntgendiffractie en Raman-spectroscopie werden gebruikt voor het analyseren van de kristalstructuur van de dunne films waaruit de batterijen bestaan. Spontane migratie van Li-ionen bleek op te treden vanuit de Li ₃ PO ₄ laag naar de LNMO-laag, het omzetten van de helft van de LNMO naar L ₂ NMO bij de Li ₃ PO ₄ /LNMO-interface. De omgekeerde migratie vindt plaats tijdens het eerste laadproces om LNMO te regenereren.

De weerstand van deze interface, geverifieerd met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie, was 7,6 Ω cm ² , twee ordes van grootte kleiner dan die van eerdere LNMO-gebaseerde volledig solid-state batterijen, en zelfs kleiner dan die van op vloeibare elektrolyt gebaseerde Li-ionbatterijen die LNMO gebruiken. Deze batterijen vertoonden ook snel opladen en ontladen, erin slagen om de helft van de batterij binnen één seconde op te laden/ontladen. Bovendien, de cyclability van de batterij was ook uitstekend, zonder prestatievermindering, zelfs niet na 100 laad-/ontlaadcycli (zie afbeelding 2).

Li(Ni _0,5 Mn _1.5 )O ₄ is een veelbelovend materiaal om de energiedichtheid van een batterij te verhogen, omdat het materiaal een hogere spanning levert. Het onderzoeksteam hoopt dat deze resultaten de ontwikkeling van hoogwaardige volledig solid-state batterijen zullen vergemakkelijken, die een revolutie teweeg zou kunnen brengen in moderne draagbare elektronische apparaten en elektrische auto's.