Verbeteringen aan een klasse van batterij-elektrolyten die voor het eerst werden geïntroduceerd in 2017 - elektrolyten van vloeibaar gemaakt gas - zouden de weg kunnen effenen voor een krachtige en lang gezochte vooruitgang voor oplaadbare batterijen:de grafietanode vervangen door een lithium-metaalanode.

Het onderzoek, gepubliceerd op 1 juli 2019 door het tijdschrift Joule , bouwt voort op innovaties die voor het eerst werden gerapporteerd in Wetenschap in 2017 door dezelfde onderzoeksgroep aan de University of California San Diego en de universitaire spin-out South 8 Technologies.

Het is van groot belang om kosteneffectieve manieren te vinden om de grafietanode in commerciële lithium-ionbatterijen te vervangen, omdat dit zou kunnen leiden tot lichtere batterijen die meer lading kunnen opslaan, via een 50 procent toename van de energiedichtheid op celniveau. De verhoogde energiedichtheid zou het gevolg zijn van een combinatie van factoren, waaronder de hoge specifieke capaciteit van de lithium-metaalanode, laag elektrochemisch potentieel, en lichtgewicht (lage dichtheid).

Als resultaat, overschakelen op lithium-metaalanoden zou het bereik van elektrische voertuigen aanzienlijk vergroten en de kosten van batterijen die worden gebruikt voor de opslag van het elektriciteitsnet verlagen, verklaarde UC San Diego nanoengineering professor Shirley Meng, een corresponderende auteur op de nieuwe paper in Joule .

Echter, de overstap maken brengt technische uitdagingen met zich mee. De belangrijkste hindernis is dat lithiummetaalanoden niet compatibel zijn met conventionele elektrolyten. Twee al lang bestaande problemen doen zich voor wanneer deze anoden worden gecombineerd met conventionele elektrolyten:lage cyclische efficiëntie en dendrietgroei.

Dus de aanpak van Meng en collega's was om over te schakelen naar een meer compatibele elektrolyt, vloeibaar gemaakt gaselektrolyten genoemd.

Elektrolyten van vloeibaar gemaakt gas in actie

Een van de verleidelijke aspecten van deze elektrolyten van vloeibaar gemaakt gas is dat ze zowel bij kamertemperatuur als bij extreem lage temperaturen functioneren, tot min 60 C. Deze elektrolyten zijn gemaakt van vloeibaar gemaakte gasoplosmiddelen - gassen die onder matige druk vloeibaar worden gemaakt - die veel beter bestand zijn tegen bevriezing dan standaard vloeibare elektrolyten.

In de krant van 2019 in Joule , de onderzoekers rapporteren over hoe, door zowel experimentele als computationele studies, ze verbeteren hun begrip van enkele van de tekortkomingen van de elektrolytchemie van vloeibaar gemaakt gas. Met deze kennis, ze waren in staat om hun vloeibaar gemaakte elektrolyten aan te passen voor verbeterde prestaties in belangrijke statistieken voor lithium-metaalanoden, zowel bij kamertemperatuur als min 60 C.

In lithium-metaal halfceltests, het team meldt dat de cyclusefficiëntie van de anode (Coulombic-efficiëntie) 99,6 procent was voor 500 laadcycli bij kamertemperatuur. Dit is hoger dan de 97,5 procent fietsefficiëntie die werd gerapporteerd in de 2017 Wetenschap papier, en een cyclusrendement van 85 procent voor lithiummetaalanoden met een conventionele (vloeibare) elektrolyt.

Bij min 60 C, het team toonde een efficiëntie van lithium-metaalanodecycli van 98,4 procent. In tegenstelling tot, de meeste conventionele elektrolyten werken niet onder de min 20 C.

De simulatie- en karakteriseringstools van het UC San Diego-team, veel ontwikkeld in het Laboratorium voor Energieopslag en Conversie onder leiding van Shirley Meng, laten de onderzoekers uitleggen waarom lithiummetaalanoden beter presteren met elektrolyten van vloeibaar gemaakt gas. Tenminste een deel van het antwoord heeft te maken met hoe de lithiumdeeltjes zich afzetten op het metaalanode-oppervlak.

De onderzoekers rapporteren de vlotte en compacte afzetting van lithiumdeeltjes op lithium-metaalanoden bij gebruik van vloeibaar gemaakte elektrolyten. In tegenstelling tot, wanneer conventionele elektrolyten worden gebruikt, naaldachtige dendrieten vormen zich op de lithiummetaalanode. Deze dendrieten kunnen de efficiëntie verminderen, kortsluiting veroorzaken, en leiden tot ernstige veiligheidsrisico's.

Een maatstaf voor hoe dicht lithiumdeeltjes zich op anodeoppervlakken afzetten, is porositeit. Hoe lager de porositeit, hoe beter. Het onderzoeksteam rapporteert in Joule dat de porositeit van lithiumdeeltjesafzetting op een metaalanode 0,90 procent is bij kamertemperatuur met behulp van vloeibaar gemaakte gaselektrolyten bij kamertemperatuur. De porositeit in aanwezigheid van conventionele elektrolyten springt naar 16,8 procent.

De race om de juiste elektrolyt

Er is momenteel een grote druk om elektrolyten te vinden of te verbeteren die compatibel zijn met de lithiummetaalanode en concurrerend zijn in termen van kosten, veiligheid, en temperatuurbereik. Onderzoeksgroepen hebben vooral gekeken naar hooggeconcentreerde oplosmiddelen (vloeibaar) of vastestofelektrolyten, maar er is momenteel geen wondermiddel.

"Als onderdeel van de batterijonderzoeksgemeenschap, Ik heb er alle vertrouwen in dat we de elektrolyten gaan ontwikkelen die we nodig hebben voor lithium-metaalanoden. Ik hoop dat dit onderzoek meer onderzoeksgroepen inspireert om de elektrolyten van vloeibaar gemaakt gas serieus te bekijken, " zei Meng.

Meng is ook de corresponderende auteur van een gerelateerd artikel in het mei 2019 nummer van Trends in de chemie "Belangrijkste problemen bij het belemmeren van een praktische lithium-metaalanode."