De groeiende populariteit van lithium-ionbatterijen in de afgelopen jaren heeft de wereldvoorraad van kobalt en nikkel – twee metalen die integraal deel uitmaken van de huidige batterijontwerpen – onder druk gezet en de prijzen doen stijgen.

In een poging om alternatieve ontwerpen te ontwikkelen voor op lithium gebaseerde batterijen die minder afhankelijk zijn van die schaarse metalen, Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een veelbelovend nieuw kathode- en elektrolytsysteem ontwikkeld dat dure metalen en traditionele vloeibare elektrolyt vervangt door goedkopere overgangsmetaalfluoriden en een vaste polymeerelektrolyt.

"Elektroden gemaakt van overgangsmetaalfluoriden vertonen al lang stabiliteitsproblemen en snel falen, wat leidt tot aanzienlijke scepsis over hun vermogen om te worden gebruikt in batterijen van de volgende generatie, " zei Gleb Yushin, een professor aan de Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Maar we hebben aangetoond dat bij gebruik met een vast polymeerelektrolyt, de metaalfluoriden vertonen een opmerkelijke stabiliteit - zelfs bij hogere temperaturen - wat uiteindelijk zou kunnen leiden tot veiligere, lichtere en goedkopere lithium-ionbatterijen."

In een typische lithium-ionbatterij, energie komt vrij tijdens de overdracht van lithiumionen tussen twee elektroden - een anode en een kathode, met een kathode die typisch lithium en overgangsmetalen zoals kobalt, nikkel en mangaan. De ionen stromen tussen de elektroden door een vloeibaar elektrolyt.

Voor de studie, die op 9 september in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuurmaterialen en gesponsord door het Army Research Office, het onderzoeksteam fabriceerde een nieuw type kathode uit ijzerfluoride actief materiaal en een vast polymeer elektrolyt nanocomposiet. IJzerfluoriden hebben meer dan het dubbele van de lithiumcapaciteit van traditionele kathoden op kobalt- of nikkelbasis. In aanvulling, ijzer is 300 keer goedkoper dan kobalt en 150 keer goedkoper dan nikkel.

Om zo'n kathode te produceren, de onderzoekers ontwikkelden een proces om een ​​vast polymeerelektrolyt in de geprefabriceerde ijzerfluoride-elektrode te infiltreren. Vervolgens hebben ze de hele structuur warm geperst om de dichtheid te vergroten en eventuele holtes te verminderen.

Twee centrale kenmerken van de op polymeer gebaseerde elektrolyt zijn het vermogen om te buigen en de zwelling van het ijzerfluoride tijdens het fietsen op te vangen en het vermogen om een ​​zeer stabiele en flexibele interfase met ijzerfluoride te vormen. traditioneel, dat zwelling en massale nevenreacties de belangrijkste problemen waren bij het gebruik van ijzerfluoride in eerdere batterijontwerpen.

"Kathoden gemaakt van ijzerfluoride hebben een enorm potentieel vanwege hun hoge capaciteit, lage materiaalkosten en zeer ruime beschikbaarheid van ijzer, " zei Yushin. "Maar de volumeveranderingen tijdens het fietsen, evenals parasitaire nevenreacties met vloeibare elektrolyten en andere afbraakproblemen hebben hun gebruik eerder beperkt. Het gebruik van een vast elektrolyt met elastische eigenschappen lost veel van deze problemen op."

De onderzoekers testten vervolgens verschillende varianten van de nieuwe solid-state batterijen om hun prestaties te analyseren gedurende meer dan 300 cycli van opladen en ontladen bij een verhoogde temperatuur van 122 graden Fahrenheit, opmerkend dat ze beter presteerden dan eerdere ontwerpen met metaalfluoride, zelfs wanneer deze bij kamertemperatuur koel werden gehouden.

De onderzoekers ontdekten dat de sleutel tot de verbeterde batterijprestaties de vaste polymeerelektrolyt was. Bij eerdere pogingen om metaalfluoriden te gebruiken, men geloofde dat metaalionen naar het oppervlak van de kathode migreerden en uiteindelijk oplosten in de vloeibare elektrolyt, capaciteitsverlies veroorzaken, vooral bij hoge temperaturen. In aanvulling, metaalfluoriden katalyseerden massale ontleding van vloeibare elektrolyten wanneer cellen boven 100 graden Fahrenheit werkten. Echter, bij de verbinding tussen de vaste elektrolyt en de kathode, een dergelijke oplossing vindt niet plaats en de vaste elektrolyt blijft opmerkelijk stabiel, het voorkomen van dergelijke degradaties, schreven de onderzoekers.

"De polymeerelektrolyt die we gebruikten was heel gewoon, maar veel andere vaste elektrolyten en andere batterij- of elektrode-architecturen - zoals kern-schildeeltjesmorfologieën - zouden in staat moeten zijn om op vergelijkbare wijze parasitaire nevenreacties drastisch te verminderen of zelfs volledig te voorkomen en stabiele prestatiekenmerken te bereiken, " zei Kostiantyn Turcheniuk, onderzoekswetenschapper in het laboratorium van Yushin en een co-auteur van het manuscript.

In de toekomst, de onderzoekers streven ernaar nieuwe en verbeterde vaste elektrolyten te ontwikkelen om snel opladen mogelijk te maken en ook om vaste en vloeibare elektrolyten te combineren in nieuwe ontwerpen die volledig compatibel zijn met conventionele celproductietechnologieën die worden gebruikt in grote batterijfabrieken.