Solid-state natrium-ionbatterijen zijn veel veiliger dan conventionele lithium-ionbatterijen, die een risico op brand en explosies opleveren, maar hun prestaties waren te zwak om de veiligheidsvoordelen te compenseren. Onderzoekers hebben vrijdag gemeld dat ze een organische kathode hebben ontwikkeld die zowel de stabiliteit als de energiedichtheid drastisch verbetert.

De verbeterde prestaties, gerapporteerd in het journaal Joule , houdt verband met twee belangrijke bevindingen:

• De resistieve interface tussen de elektrolyt en de kathode die zich gewoonlijk tijdens het fietsen vormt, kan worden omgekeerd, levensduur verlengen, en
• De flexibiliteit van de organische kathode maakte het mogelijk om intiem contact te houden aan het grensvlak met de vaste elektrolyt, zelfs als de kathode uitzet en samentrekt tijdens het fietsen.

Yan Yao, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Houston en corresponderende auteur van het artikel, zei de organische kathode - bekend als PTO, voor pyreen-4, 5, 9, 10-tetraon—biedt unieke voordelen ten opzichte van eerdere anorganische kathoden. Maar hij zei dat de onderliggende principes even belangrijk zijn.

"We ontdekten voor het eerst dat de resistieve interface die zich vormt tussen de kathode en de elektrolyt kan worden omgekeerd, Yao zei. "Dat kan bijdragen aan stabiliteit en een langere levensduur." Yao is ook hoofdonderzoeker bij het Texas Center for Superconductivity aan de UH. Zijn onderzoeksgroep richt zich op groene en duurzame organische materialen voor energieopwekking en -opslag.

Yanliang "Leonard" Liang, een onderzoeksassistent-professor aan de UH-afdeling Electrical and Computer Engineering, zei dat omkeerbaarheid van de interface de sleutel is, waardoor de solid-state batterij een hogere energiedichtheid kan bereiken zonder de levensduur van de cyclus op te offeren. Normaal gesproken, het vermogen van een solid-state batterij om energie op te slaan wordt stopgezet wanneer de resistieve kathode-elektrolyt-interface wordt gevormd; door die weerstand om te keren, blijft de energiedichtheid hoog tijdens het fietsen, hij zei.

Lithium-ionbatterijen met hun vloeibare elektrolyten kunnen relatief veel energie opslaan en worden vaak gebruikt om de gereedschappen van het moderne leven aan te drijven, van mobiele telefoons tot hoortoestellen. Maar het risico op brand en explosie heeft de belangstelling voor andere soorten batterijen doen toenemen, en een vaste-stof-natrium-ionbatterij biedt de belofte van meer veiligheid tegen lagere kosten.

Xiaowei-Chi, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Yao, zei dat een belangrijke uitdaging was om een ​​vaste elektrolyt te vinden die net zo geleidend is als de vloeibare elektrolyten die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt. Nu er voldoende geleidende vaste elektrolyten beschikbaar zijn, een resterende uitdaging waren de solide interfaces.

Een probleem dat wordt veroorzaakt door een vaste elektrolyt:de elektrolyt heeft moeite om intiem contact te houden met een traditionele stijve kathode, aangezien deze uitzet en samentrekt tijdens het fietsen van de batterij. Fang Hao, een doctoraat student die in Yao's groep werkt, zei dat de organische kathode buigzamer is en dus in staat is om in contact te blijven met de interface, het fietsleven verbeteren. De onderzoekers zeiden dat het contact gedurende ten minste 200 cycli stabiel bleef.

"Als je betrouwbaar contact hebt tussen de elektrode en de elektrolyt, heb je een grote kans om een ​​krachtige solid-state batterij te maken, ' zei Ha.