Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology hebben de mechanismen onderzocht achter de weerstand op het elektrode-elektrolyt-interface van volledig solid-state batterijen. Hun bevindingen zullen helpen bij de ontwikkeling van veel betere Li-ion-batterijen met zeer snelle laad- en ontlaadsnelheden.

Het ontwerpen en verbeteren van lithium-ionbatterijen (Li-ion) is cruciaal om de grenzen van moderne elektronische apparaten en elektrische voertuigen te verleggen, omdat Li-ionbatterijen vrijwel alomtegenwoordig zijn. Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), onder leiding van prof. Taro Hitosugi, had eerder melding gemaakt van een nieuw type volledig solid-state batterij, ook op basis van lithiumionen, die een van de grootste problemen van die batterijen overwon:hoge weerstand op het grensvlak tussen de elektroden en de elektrolyten die snel laden/ontladen beperkt.

Hoewel de apparaten die ze produceerden veelbelovend waren en in sommige opzichten veel beter waren dan conventionele Li-ionbatterijen, het mechanisme achter de verminderde interfaceweerstand was onduidelijk. Het was moeilijk om de begraven interfaces in volledig solid-state batterijen te analyseren zonder hun lagen te beschadigen. Daarom, Hitosugi en zijn team van onderzoekers hebben opnieuw volledig solid-state batterijen onderzocht om licht op dit onderwerp te werpen. Ze vermoedden dat kristalliniteit (die aangeeft hoe goed geordend en periodiek een vaste stof is) aan het elektrode-elektrolyt-interface een sleutelrol speelde bij het definiëren van interfaceweerstand.

Om dit te bewijzen, ze fabriceerden twee verschillende volledig solid-state batterijen bestaande uit elektrode- en elektrolytlagen met behulp van een gepulste laserdepositietechniek. Een van deze batterijen had vermoedelijk een hoge kristalliniteit op het elektrode-elektrolyt-interface, terwijl de andere dat niet deed. Dit bevestigen was mogelijk door gebruik te maken van een nieuwe techniek genaamd röntgenkristalafknotting-staafverstrooiingsanalyse. "Röntgenstralen kunnen de begraven interfaces bereiken zonder de structuren te vernietigen, ", legt Hitosugi uit.

Op basis van hun resultaten, het team concludeerde dat een zeer kristallijn elektrode-elektrolyt-interface resulteerde in een lage interfaceweerstand, waardoor een krachtige batterij ontstaat. Door de microscopische structuur van de interfaces van hun batterijen te analyseren, ze stelden een plausibele verklaring voor de verhoogde weerstand van batterijen met minder kristallijne interfaces. Lithium-ionen zitten vast aan de minder kristallijne grensvlakken, ionengeleiding belemmeren. "Gecontroleerde fabricage van de elektrolyt/elektrode-interface is cruciaal om een ​​lage interfaceweerstand te verkrijgen, ", legt Hitosugi uit. De ontwikkeling van theorieën en simulaties om de migratie van Li-ionen beter te begrijpen, zal van cruciaal belang zijn om eindelijk bruikbare en verbeterde batterijen te bereiken voor allerlei soorten apparaten op basis van elektrochemie.