Elektriciteitsopslag in batterijen is een steeds grotere vraag naar smartphones, laptops, auto's en het elektriciteitsnet. Solid-state batterijen behoren tot de meest veelbelovende technologieën van de volgende generatie omdat ze een hoger veiligheidsniveau en een mogelijk langere levensduur bieden.

Het Joint Centre for Energy Storage Research (JCESR) heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt met solid-state batterijen als opvolgers van de huidige lithium-ion (Li-ion) batterijen. Een grote uitdaging bij solid-state batterijen is het vergroten van de diffusie van Li-ionen in de solid-state elektrolyt, wat doorgaans langzamer is dan in de vloeibare organische elektrolyten die nu in Li-ion-batterijen worden gebruikt.

Linda Nazar van JCESR, een vooraanstaand professor aan de Universiteit van Waterloo, en Zhizhen Zhang, haar postdoctoraal onderzoeksmedewerker, publiceerden hun onderzoek naar het verbeteren van de mobiliteit van Li-ionen in solid-state batterijen met behulp van het peddelwieleffect, dat is de gecoördineerde beweging van atomen, in een paper getiteld:"Targeting Superionic Conductivity at Room Temperature by Turning on Anion Rotation in Fast Ion Conductors" op 3 juni in Materie , een maandelijks tijdschrift voor materiaalkunde. JCESR is een Energy Innovation Hub onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). De Universiteit van Waterloo is een van de 18 partners van JCESR.

Solid-state batterijen, gebruik van vaste elektrolyten in plaats van de gebruikelijke vloeibare organische elektrolyten, zijn naar voren gekomen als een veelbelovende vervanging voor de huidige Li-ion-batterijen, volgens Nazar.

"Ze bieden het potentieel van veiligere en duurzamere batterijen die een hogere energiedichtheid kunnen leveren die belangrijk is voor een breed scala aan elektrochemische energieopslagtoepassingen, zoals voertuigen, robotten, drones en meer, "zei Nazar. "Als het belangrijkste onderdeel van solid-state batterijen, de vaste elektrolyt bepaalt voor een groot deel de veiligheid en cyclusstabiliteit."

Een ongewenste chemische reactie, de thermische op hol geslagen reactie genoemd, heeft geleid tot branden en explosies waarbij de huidige Li-ion-batterijen betrokken zijn, die blijven branden totdat ze geen brandstof meer hebben. Vanwege deze gevaren, JCESR probeert de interne vloeibare organische elektrolyt te elimineren door deze te vervangen door een vaste stof.

Zeer weinig vastestofelektrolyten hebben een zo hoog ionengeleidingsvermogen als vloeibare organische elektrolyten, en ze krijgen het leeuwendeel van de aandacht. JCESR onderzoekt een veelbelovend fenomeen dat de diffusie van ionen drastisch versnelt:de roterende beweging van normaal statische negatieve ionen (d.w.z. anionen) in het elektrolytraamwerk in vaste toestand die de beweging van de Li ⁺ positieve ionen (d.w.z. kationen).

"In feite, het blijkt dat de anion-'bouwstenen' waaruit het solide raamwerk bestaat niet rigide zijn, maar ondergaan een roterende beweging, " zei Nazar. "Onze studie gaat in op dit principe om aan te tonen dat aniondynamiek in het kader van de vaste Li ⁺ kation vervoer. De aniondynamiek kan zelfs bij kamertemperatuur worden 'aangezet' door het raamwerk af te stemmen, en de aniondynamiek is sterk gekoppeld aan kationdiffusie door het schoepenradeffect. Dit lijkt een beetje op het vervoer van mensen door een meerpersoons draaideur."

Hoewel nieuwe vaste elektrolyten zich nog in de ontwikkelingsfase bevinden, de vorderingen zijn bemoedigend. Een doorbraak zou een game changer zijn en de veiligheid en inzet van Li-ion-batterijen drastisch verhogen, volgens JCESR-directeur George Crabtree.

"Als u een elektrolyt in vaste toestand kunt vinden die snelle Li ⁺ kation beweging, het zou een drop-in vervanging zijn voor vloeibare organische elektrolyten en batterijen onmiddellijk ontdoen van de thermische op hol geslagen reactie, de belangrijkste oorzaak van brand in de huidige Li-ion-accu's", aldus Crabtree. "Alleen al vanwege de veiligheidsvoordelen, er zou een enorme markt voor zijn in mobiele telefoons, laptops, videorecorders, auto's en het elektriciteitsnet."

Het intellectuele enthousiasme voor solid-state batterijen wordt gedeeld door JCESR. Andere medewerkers van de Universiteit van Michigan en MIT onderzoeken ook vaste elektrolyten en het schepradeffect. Solid-state batterijen zijn een van de meest veelbelovende en gewilde ontwikkelingen voor de industrie, zei Krabboom.

"JCESR wil de oorsprong van batterijgedrag op atomair en moleculair niveau begrijpen. Met deze kennis kunnen we kunnen de batterij van onder naar boven opbouwen, atoom voor atoom en molecuul voor molecuul, waarbij elk atoom en molecuul een voorgeschreven rol speelt bij het produceren van het beoogde batterijgedrag, ' zei Crabtree. 'Het schepradeffect is daar een voorbeeld van. Dit papier bevindt zich aan de grens van het gedrag van vaste elektrolyten, en die kennis willen we overdragen naar het bedrijfsleven."