Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben een nieuw type elektrodestructuur ontwikkeld voor volledig solid-state secundaire batterijen. Als deze technologie wordt toegepast, de energiedichtheid van de batterijen kan aanzienlijk toenemen in vergelijking met bestaande technologieën, een enorme bijdrage leveren aan de ontwikkeling van hoogwaardige secundaire batterijen.

Een gezamenlijk onderzoeksteam van het Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) en het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) heeft een nieuwe elektrodestructuur ontworpen voor all-solid-state secundaire batterijen na identificatie van het mechanisme van gemakkelijke lithium-iondiffusie tussen actieve materialen. Ze hebben hun resultaten gepubliceerd in ACS Energiebrieven , een internationaal online academisch tijdschrift gespecialiseerd in de energiesector dat wordt beheerd door de American Chemical Society (ACS).

In tegenstelling tot primaire cellen, die maar één keer kan worden gebruikt, secundaire batterijen kunnen worden opgeladen en herhaaldelijk worden gebruikt. Het belang van secundaire batterijtechnologie voor robots, elektrische auto's, energieopslagsystemen (ESS) en drones groeit jaar na jaar.

All-solid-state secundaire batterijen gebruiken een vaste elektrolyt om ionen binnen batterij-elektroden te transporteren. Vaste elektrolyten zijn veiliger dan vloeibare elektrolyten, die brand kunnen veroorzaken. Bovendien, vaste elektrolyten kunnen worden geïmplementeerd in een secundaire cel van het bipolaire type om de energiedichtheid te verhogen door een eenvoudige batterijconfiguratie.

De elektrodestructuur van een conventionele all-solid-state secundaire cel bestaat uit een vaste elektrolyt die verantwoordelijk is voor ionengeleiding, een geleidend additief dat de middelen voor elektronengeleiding verschaft; actief materiaal dat verantwoordelijk is voor het opslaan van energie; en een bindmiddel dat deze samenstellende delen fysiek en chemisch vasthoudt.

ETRI-onderzoekers ontdekten door systematische experimenten, echter, dat ionen zelfs tussen deeltjes van actief grafietmateriaal worden getransporteerd. En ze stelden een nieuw type elektrodestructuur voor voor een all-solid-state secundaire cel die alleen uit het actieve materiaal en het bindmiddel bestaat. De onderzoekers bevestigden de mogelijkheid dat zelfs zonder een vast elektrolytadditief in de elektroden, de prestaties van een all-solid-state secundaire cel zouden superieur kunnen zijn.

De theoretische haalbaarheid van de nieuwe structuur voorgesteld door ETRI werd geverifieerd bij DGIST door middel van elektrochemische testen van een virtueel model dat op een supercomputer draait. ETRI-onderzoekers slaagden erin deze structuur in een echt experiment aan te tonen. Het resultaat is een diffusie-afhankelijke all-solid-state elektrode.

Als de technologie van ETRI wordt toegepast, vast geleidingsadditief materiaal zal overbodig worden in de elektrode; in plaats daarvan, het meer actieve materiaal kan in hetzelfde volume worden geperst. Met andere woorden, de hoeveelheid actief materiaal in de elektrode kan tot 98 gew.% toenemen en als gevolg daarvan de energiedichtheid kan 1,5 keer groter worden gemaakt dan de conventionele grafietcomposietelektrode.

De technologie biedt ook voordelen op het gebied van fabricageprocessen. Vaste elektrolyten van het sulfidetype, die een hoge ionengeleiding en matige plasticiteit hebben, worden beschouwd als een uitstekende kandidaat voor de fabricage van volledig solid-state batterijen. Maar vanwege de hoge chemische reactiviteit, de vaste elektrolyten van het sulfidetype laten batterijontwikkelaars zeer weinig opties over als het gaat om oplosmiddelen en bindmiddelen. In tegenstelling tot, met de nieuwe ETRI-elektrode, ontwikkelaars kunnen vrij kiezen welk type oplosmiddel en bindmiddel ze in de batterij willen gebruiken, omdat de elektrode geen vaste elektrolyten bevat die zeer reactief zijn. Dit stelt onderzoekers ook in staat om nieuwe benaderingen na te streven voor het verbeteren van de prestaties van all-solid-state secundaire cellen.

Dr. Young-Gi Lee, die bij dit onderzoek betrokken was, zei, "We hebben voor het eerst onthuld dat ionen alleen met actieve materialen kunnen worden verspreid. We zijn niet langer gebonden aan de structuur die wordt gebruikt in bestaande secundaire cellen in volledige vaste toestand. We zijn van plan secundaire cellen te ontwikkelen met zelfs hoge energiedichtheden, met behulp van deze technologie. We zullen ook onze rechten op de kerntechnologie veiligstellen en werken aan een versie die gecommercialiseerd kan worden."

Hoewel ETRI haar onderzoek heeft uitgevoerd met grafietkathode als actief materiaal, het is van plan zijn onderzoek voort te zetten op basis van hetzelfde concept met verschillende andere elektrodematerialen. Het is ook van plan om de technologie te verbeteren om de efficiëntie te verhogen. Dit kan worden bereikt door de grensvlakproblemen tussen elektroden te elimineren en het volume van elektroden te verdunnen.