Een recente studie, aangesloten bij het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Zuid-Korea, heeft nieuwe oplosmiddelvrije, enkele lithium-ion geleidende COF.

Een solid-state batterij wordt beschouwd als een veilige batterij die niet ontploft. Het is een vorm van versterking van de veiligheid door gebruik te maken van een vast elektrolyt in plaats van een vloeibaar elektrolyt dat aan vuur hecht. Als zodanig, de prestatie van vaste elektrolyten is belangrijk, en onlangs zijn er nieuwe conceptmaterialen ontwikkeld die de prestaties aanzienlijk zullen verbeteren.

Deze doorbraak is gezamenlijk geleid door professor Sang-Young Lee en professor Sang Kyu Kwak in de School of Energy and Chemical Engineering van UNIST. In dit onderzoek, het team demonstreerde een nieuw concept, namelijk 'Solid ion conductor' die selectief lithiumionen door ionenkanalen beweegt, zoals de uitgestrekte snelwegen. Omdat ze solide zijn en alleen lithiumionen effectief kunnen overbrengen, het zal naar verwachting worden gebruikt als bronmateriaal van de volgende generatie batterij, zoals een hoogspanningsbatterij of een lithiummetaalbatterij.

De huidige lithium-ionbatterijen gebruiken licht ontvlambare vloeibare elektrolyten, zijn dus kwetsbaar voor brand of explosie. Als een alternatief, een vast elektrolyt is in ontwikkeling, maar de ionengeleiding is lager dan die van de vloeibare elektrolyt. Vooral, veel van de tot nu toe gerapporteerde vaste elektrolyten hebben beperkingen in het verbeteren van de batterijprestaties omdat ionen langs een kronkelend en gecompliceerd pad migreren.

Professor Lee heeft verschillende pogingen gedaan om dit probleem op te lossen, gebruikmakend van poreuze kristallijne materialen, zoals covalente organische raamwerken (COF's), als ionengeleiders. Binnen dit materiaal, er zijn regelmatig geregelde passages, die zijn ontworpen om alleen met lithiumionen te werken, de prestaties van de ionengeleiding drastisch verbeteren.

"De nieuw ontwikkelde ionengeleider is een vaste fase die helemaal geen vloeistof gebruikt, " zegt Dr. Kihun Jeong van de School of Energy and Chemical Engineering van UNIST, de eerste auteur van deze studie. "Dit realiseert ook solid-state enkel lithium-ion geleidingsgedrag."

Enkelvoudig lithium-ion geleidingsgedrag verwijst naar een ideale situatie, waarin alleen lithiumionen door een elektrolyt worden overgedragen. Aangezien lithiumionen positieve ionen zijn, het is gebruikelijk om de negatieve ionen samen te bewegen. Dergelijke onnodige migratie van het anion veroorzaakt een ongewenste nevenreactie op het elektrodeoppervlak, waardoor de batterijprestaties afnemen.

In dit onderzoek, organische skeletstructuren werden gesynthetiseerd met behulp van anionische monomeren die gepaard gaan met lithiumionen. Anionen worden gefixeerd als onderdeel van het pad waar lithiumionen doorheen gaan. Als resultaat, een ideale stroom werd gerealiseerd die naar de doorgang van de structuur met alleen lithiumionen bewoog. De onderzoekers identificeerden theoretisch het gebruik van computationele chemie waarbij lithiumionen migreren langs de zuurstofatomen die regelmatig in de ionengeleiderdoorgangen worden opgesteld.

"Deze studie presenteert een nieuwe richting voor het ontwerpen van vaste ionengeleiders, de basis leggen voor de ontwikkeling van 'high performance vaste elektrolyten, ' die essentieel zijn voor de commercialisering van batterijen van de volgende generatie, inclusief alle solid-state batterijen, " zegt professor Lee. "In het bijzonder, lithiumionen kunnen selectief en effectief worden afgegeven, terwijl het organische oplosmiddel dat een explosie kan veroorzaken, volledig wordt geëlimineerd."

Hij voegt toe, "De eigenschappen van deze ionengeleiders zijn niet alleen geschikt als elektrolyt voor alle vastestofcellen, maar ze kunnen ook worden toegepast op zeer reactieve lithiummetaalelektroden, die kan worden gebruikt voor lithium-metaalbatterijen, die de aandacht trekken als energierijke batterijen."