Nieuw onderzoek door ingenieurs van MIT en elders zou kunnen leiden tot batterijen die meer vermogen per pond kunnen bevatten en langer meegaan. gebaseerd op het lang gezochte doel om puur lithiummetaal te gebruiken als een van de twee elektroden van de batterij, de anode.

Het nieuwe elektrodeconcept komt uit het laboratorium van Ju Li, de Battelle Energy Alliance hoogleraar Nuclear Science and Engineering en hoogleraar materiaalkunde en engineering. Het staat beschreven in het journaal Natuur , in een paper geschreven door Yuming Chen en Ziqiang Wang aan het MIT, samen met 11 anderen aan het MIT en in Hong Kong, Florida, en Texel.

Het ontwerp maakt deel uit van een concept voor het ontwikkelen van veilige all-solid-state batterijen, het afzien van de vloeibare of polymeergel die gewoonlijk wordt gebruikt als het elektrolytmateriaal tussen de twee elektroden van de batterij. Een elektrolyt zorgt ervoor dat lithiumionen heen en weer kunnen reizen tijdens de laad- en ontlaadcycli van de batterij, en een volledig vaste versie zou veiliger kunnen zijn dan vloeibare elektrolyten, die een hoge vluchtigheid hebben en de bron zijn van explosies in lithiumbatterijen.

"Er is veel gewerkt aan solid-state batterijen, met lithiummetaalelektroden en vaste elektrolyten, "Li zegt, maar deze inspanningen stuitten op een aantal problemen.

Een van de grootste problemen is dat wanneer de batterij is opgeladen, atomen hopen zich op in het lithiummetaal, waardoor het uitbreidt. Het metaal krimpt dan weer tijdens het ontladen, als de batterij wordt gebruikt. Deze herhaalde veranderingen in de afmetingen van het metaal, een beetje zoals het proces van in- en uitademen, het moeilijk maken voor de vaste stoffen om constant contact te houden, en hebben de neiging om de vaste elektrolyt te doen breken of los te laten.

Een ander probleem is dat geen van de voorgestelde vaste elektrolyten echt chemisch stabiel is in contact met het zeer reactieve lithiummetaal, en ze hebben de neiging om na verloop van tijd te verslechteren.

De meeste pogingen om deze problemen te overwinnen waren gericht op het ontwerpen van vaste elektrolytmaterialen die absoluut stabiel zijn tegen lithiummetaal, wat moeilijk blijkt te zijn. In plaats daarvan, Li en zijn team hebben een ongebruikelijk ontwerp aangenomen dat gebruik maakt van twee extra klassen vaste stoffen, "gemengde ionische-elektronische geleiders" (MIEC) en "elektronen- en Li-ion-isolatoren" (ELI), die absoluut chemisch stabiel zijn in contact met lithiummetaal.

De onderzoekers ontwikkelden een driedimensionale nanoarchitectuur in de vorm van een honingraatachtige reeks zeshoekige MIEC-buizen, gedeeltelijk doordrenkt met het vaste lithiummetaal om één elektrode van de batterij te vormen, maar met extra ruimte over in elke buis. Wanneer het lithium uitzet tijdens het laadproces, het stroomt in de lege ruimte in het binnenste van de buizen, bewegen als een vloeistof, ook al behoudt het zijn vaste kristallijne structuur. deze stroom, volledig opgesloten in de honingraatstructuur, verlicht de druk van de uitzetting veroorzaakt door het opladen, maar zonder de buitenafmetingen van de elektrode of de grens tussen de elektrode en het elektrolyt te veranderen. Het andere materiaal, de ELI, dient als een cruciaal mechanisch bindmiddel tussen de MIEC-wanden en de vaste elektrolytlaag.

"We hebben deze structuur ontworpen die ons driedimensionale elektroden geeft, als een honingraat, "zegt Li. Door de lege ruimtes in elke buis van de structuur kan het lithium "achteruit" in de buizen "kruipen", "en op die manier het bouwt geen spanning op om de vaste elektrolyt te kraken." Het uitzettende en samentrekkende lithium in deze buizen beweegt in en uit, een beetje zoals de zuigers van een automotor in hun cilinders. Omdat deze structuren zijn gebouwd op nanoschaaldimensies (de buizen hebben een diameter van ongeveer 100 tot 300 nanometer, en tientallen microns hoog), het resultaat is als "een motor met 10 miljard zuigers, met lithiummetaal als werkvloeistof, "zegt Li.

Omdat de wanden van deze honingraatachtige structuren zijn gemaakt van chemisch stabiel MIEC, het lithium verliest nooit elektrisch contact met het materiaal, zegt Li. Dus, de hele vaste batterij kan mechanisch en chemisch stabiel blijven tijdens zijn gebruikscycli. Het team heeft het concept experimenteel bewezen, een testapparaat door 100 cycli van laden en ontladen zonder enige breuk van de vaste stoffen te veroorzaken.

Li zegt dat hoewel veel andere groepen werken aan wat zij vaste batterijen noemen, de meeste van die systemen werken eigenlijk beter met wat vloeibaar elektrolyt gemengd met het vaste elektrolytmateriaal. "Maar in ons geval " hij zegt, "het is echt allemaal vast. Er zit geen vloeistof of gel in."

Het nieuwe systeem zou kunnen leiden tot veilige anodes die slechts een kwart zoveel wegen als hun conventionele tegenhangers in lithium-ionbatterijen, voor dezelfde hoeveelheid opslagcapaciteit. Indien gecombineerd met nieuwe concepten voor lichtgewicht versies van de andere elektrode, de kathode, dit werk zou kunnen leiden tot een aanzienlijke vermindering van het totale gewicht van lithium-ionbatterijen. Bijvoorbeeld, het team hoopt dat het kan leiden tot mobiele telefoons die slechts eens in de drie dagen kunnen worden opgeladen, zonder de telefoons zwaarder of omvangrijker te maken.

Een nieuw concept voor een lichtere kathode werd beschreven door een ander team onder leiding van Li, in een artikel dat vorige maand in het tijdschrift verscheen Natuur Energie , co-auteur van MIT-postdoc Zhi Zhu en afgestudeerde student Daiwei Yu. Het materiaal zou het gebruik van nikkel en kobalt verminderen, die duur en giftig zijn en worden gebruikt in de huidige kathoden. De nieuwe kathode vertrouwt niet alleen op de capaciteitsbijdrage van deze overgangsmetalen in batterijcycli. In plaats daarvan, het zou meer afhangen van de redoxcapaciteit van zuurstof, die veel lichter en overvloediger is. Maar in dit proces worden de zuurstofionen mobieler, waardoor ze uit de kathodedeeltjes kunnen ontsnappen. De onderzoekers gebruikten een oppervlaktebehandeling bij hoge temperatuur met gesmolten zout om een ​​beschermende oppervlaktelaag te produceren op deeltjes van mangaan- en lithiumrijk metaaloxide, dus de hoeveelheid zuurstofverlies wordt drastisch verminderd.

Hoewel de oppervlaktelaag erg dun is, slechts 5 tot 20 nanometer dik op een 400 nanometer breed deeltje, het biedt een goede bescherming van het onderliggende materiaal. "Het is bijna als immunisatie, "Li zegt, tegen de destructieve effecten van zuurstofverlies in batterijen die bij kamertemperatuur worden gebruikt. De huidige versies zorgen voor een verbetering van ten minste 50 procent in de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen voor een bepaald gewicht, met een veel betere fietsstabiliteit.

Het team heeft tot nu toe alleen kleine apparaten op laboratoriumschaal gebouwd, maar "Ik verwacht dat dit heel snel kan worden opgeschaald, " zegt Li. De benodigde materialen, meestal mangaan, zijn aanzienlijk goedkoper dan het nikkel of kobalt dat door andere systemen wordt gebruikt, dus deze kathoden zouden slechts een vijfde van de conventionele versies kunnen kosten.