Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om op keramiek gebaseerde flexibele elektrolytplaten voor lithium-metaalbatterijen te maken. Ze combineerden een granaat-type keramiek, een polymeer bindmiddel en een ionische vloeistof, het produceren van een quasi-vastestof bladelektrolyt. De synthese wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur, die aanzienlijk minder energie nodig hebben dan bestaande hoge temperatuur (> 1000°C) processen. Het functioneert over een breed temperatuurbereik, waardoor het een veelbelovende elektrolyt is voor batterijen, bijv. bij elektrische voertuigen.

Fossiele brandstoffen zijn goed voor de meeste energiebehoeften in de wereld, inclusief elektriciteit. Maar fossiele brandstoffen raken op, en het verbranden ervan leidt ook tot de directe uitstoot van kooldioxide en andere verontreinigende stoffen zoals giftige stikstofoxiden in de atmosfeer. Er is een wereldwijde vraag om over te stappen op schonere hernieuwbare energiebronnen. Maar belangrijke bronnen van hernieuwbare energie zoals wind- en zonne-energie zijn vaak intermitterend - de wind waait niet altijd en de zon schijnt 's nachts niet. Geavanceerde energieopslagsystemen zijn dus vereist om hernieuwbare, intermitterende bronnen effectiever. Lithium-ionbatterijen hebben een diepgaande invloed gehad op de moderne samenleving, het voeden van een breed scala aan draagbare elektronica en apparaten zoals draadloze stofzuigers sinds de commercialisering ervan door Sony in 1991. Maar het gebruik van deze batterijen in elektrische voertuigen (EV's) vereist nog steeds een aanzienlijke verbetering van de capaciteit en veiligheid van ultramoderne Li -ion ​​technologie.

Dit heeft geleid tot een heropleving van de onderzoeksinteresse in lithium-metaalbatterijen:lithium-metaalanodes hebben een veel hogere theoretische capaciteit dan de grafietanodes die nu commercieel worden gebruikt. Er zijn nog steeds technologische hindernissen verbonden aan lithiummetaalanoden. In op vloeistof gebaseerde batterijen, bijvoorbeeld, lithiumdendrieten (of armen) kunnen groeien, wat kan leiden tot kortsluiting in de batterij en zelfs tot brand en explosies. Dat is waar anorganische elektrolyten in vaste toestand hun intrede hebben gedaan:ze zijn aanzienlijk veiliger, en een granaat-type (type structuur) keramische Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ , beter bekend als LLZO, wordt nu algemeen beschouwd als een veelbelovend elektrolytmateriaal in vaste toestand vanwege zijn hoge ionische geleidbaarheid en compatibiliteit met Li-metaal. Echter, het produceren van LLZO-elektrolyten met hoge dichtheid vereist zeer hoge sintertemperaturen, tot 1200 °C. Dit is zowel energie-inefficiënt als tijdrovend, waardoor grootschalige productie van LLZO-elektrolyten moeilijk wordt. In aanvulling, het slechte fysieke contact tussen brosse LLZO-elektrolyten en de elektrodematerialen resulteert meestal in een hoge grensvlakweerstand, waardoor hun toepassing in volledig solid-state Li-metaalbatterijen aanzienlijk wordt beperkt.

Dus, een team onder leiding van professor Kiyoshi Kanamura van de Tokyo Metropolitan University ging op zoek naar een flexibele composiet LLZO-plaatelektrolyt die bij kamertemperatuur kan worden gemaakt. Ze gieten een LLZO keramische slurry op een dun polymeersubstraat, zoals boter op toast smeren. Na drogen in een vacuümoven, de 75 micron dikke plaatelektrolyt werd gedrenkt in een ionische vloeistof (IL) om de ionische geleidbaarheid te verbeteren. IL's zijn zouten die vloeibaar zijn bij kamertemperatuur, waarvan bekend is dat het zeer geleidend is, terwijl het bijna niet-ontvlambaar en niet-vluchtig is. Binnen de lakens, de IL vulde met succes de microscopisch kleine gaten in de structuur en overbrugde de LLZO-deeltjes, vormen een efficiënte route voor Li-ionen. Ze verminderden ook effectief de grensvlakweerstand bij de kathode. Bij nader onderzoek, ze ontdekten dat Li-ionen diffundeerden door zowel de IL- als de LLZO-deeltjes in de structuur, benadrukt de rol van beide. De synthese is eenvoudig en geschikt voor industriële productie:het hele proces wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur zonder dat sinteren bij hoge temperatuur nodig is.

Hoewel er uitdagingen blijven, het team zegt dat de mechanische robuustheid en bruikbaarheid van de flexibele composietplaat bij een breed temperatuurbereik het tot een veelbelovende elektrolyt voor Li-metaalbatterijen maakt. De eenvoud van deze nieuwe synthesemethode kan betekenen dat we lithium-metaalbatterijen met hoge capaciteit eerder op de markt zullen zien dan we denken.