Recente ontwikkelingen in de ontwikkeling van hybride en elektrische voertuigen hebben de behoefte aan hoog presterende batterijtechnologieën vergroot. Onderzoeksteams over de hele wereld hebben daarom gewerkt aan een breed scala aan alternatieve batterijoplossingen, terwijl ze ook probeerden nieuwe veelbelovende elektrolyten voor deze batterijen te identificeren.

Batterijen met vaste elektroden en een vaste elektrolyt, bekend als vastestofbatterijen, zouden een haalbare alternatieve oplossing voor energieopslag voor elektrische voertuigen kunnen zijn. De traditionele anorganische keramische elektrolyten en organische polymeerelektrolyten hebben echter vaak te kampen met een slechte flexibiliteit of mechanische eigenschappen, wat een negatieve invloed heeft op de prestaties van de batterijen.

Onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben onlangs nieuwe elektrolyten ontdekt voor vastestofbatterijen op basis van een klasse visco-elastisch anorganisch glas (VIGLAS). Hun artikel, gepubliceerd in Nature Energy , laat zien dat deze elektrolyten eigenschappen van zowel anorganische als organische elektrolyten bezitten en de stabiliteit van volledig vaste batterijcellen aanzienlijk zouden kunnen verbeteren.

"In eerste instantie wilden we een anorganische vaste elektrolyt vinden met een laag smeltpunt om het assemblageproces van de vastestofbatterij te vereenvoudigen in een omgeving met iets hogere temperaturen, vergelijkbaar met vloeibare Na-ion-batterijen", zegt Yong Sheng Hu, een van de onderzoekers. vertellen de onderzoekers die het onderzoek hebben uitgevoerd aan Tech Xplore.

"Gebaseerd op eerder onderzoek naar gesmolten-zoutbatterijen met LiAlCl₄ /NaAlCl₄ elektrolyt (dat het laagste smeltpunt heeft in gesmolten zouten), hebben we geprobeerd een aantal methoden te vinden om Cl-atomen gedeeltelijk te vervangen om de ionische geleidbaarheid in de vaste toestand te verbeteren. Ten slotte ontdekten we dat door het introduceren van O-atomen om het te verglazen, de ionische geleidbaarheid bij kamertemperatuur met drie orden van grootte kon worden verbeterd, en ontdekten we onverwachts dat het een visco-elasticiteit heeft die vergelijkbaar is met die van organische polymeren."

Het belangrijkste doel van het recente werk van Hu en zijn collega's was het onthullen van nieuwe veelbelovende en schaalbare elektrolyten voor vastestofbatterijen. Ten eerste synthetiseerden de onderzoekers hun op VIGLAS gebaseerde vaste elektrolyten, die zijn gebaseerd op het materiaal MAlCl_4-2x O_x (MACO, M=Li, Na, 0,5

"VIGLAS-materialen hebben een hoge ionische geleidbaarheid (~1 mS cm ^-1 bij 30°C) voor zowel Li ⁺ en Na ⁺ , superieure chemo-mechanische compatibiliteit met 4,3 V-kathodes, evenals de mogelijkheid om drukloze Li- en Na-gebaseerde solid-state batterijen (<0,1 MPa) mogelijk te maken, "legde Hu uit. "De lage smelttemperatuur (<160°C) zorgt ervoor dat de elektrolyten efficiënt in elektrodematerialen kunnen infiltreren, vergelijkbaar met een vloeibare batterij. Bovendien vergemakkelijkt de vervormbaarheid van de elektrolyten de haalbaarheid van opschaling door de productie van dunne films via een walsproces."

De door dit team van onderzoekers geïdentificeerde klasse van anorganisch glas heeft een unieke combinatie van anorganisch-achtige eigenschappen, waaronder een hoge ionische geleidbaarheid, een sterke oxidatieve weerstand en een polymeerachtige flexibele eigenschap die compatibiliteit met veelgebruikte kathodes mogelijk maakt. In de eerste tests behaalden elektrolyten op basis van dit glas veelbelovende resultaten, waarbij ze zowel elektrodematerialen als vloeibare elektrolyten infiltreerden.

Met name de elektrolyten van het team zouden ook gemakkelijk op te schalen kunnen zijn en kunnen worden vervaardigd met behulp van bestaande fabricageprocessen. Omdat ze zijn gebaseerd op vervormbare materialen, kunnen ze op grote schaal worden geproduceerd door middel van eenvoudige walsprocessen.

"We laten zien dat er geen duidelijke grens is tussen organische polymeerelektrolyten en anorganische elektrolyten", voegde Hu eraan toe. "De anorganische elektrolyten kunnen ook polymeerachtige mechanische eigenschappen hebben, waardoor de drukloze Li- en Na-gebaseerde vastestofcellen mogelijk zijn. In onze volgende studies zijn we van plan enkele andere vergelijkbare VIGLAS-elektrolyten met Li / Na- te onderzoeken. stabiliteit van de metalen anode."

Meer informatie: Tao Dai et al, Anorganische glaselektrolyten met polymeerachtige visco-elasticiteit, Nature Energy (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01356-y

Journaalinformatie: Natuurenergie

© 2023 Science X Netwerk