Onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de efficiëntie van lithium-ionbatterijen te verbeteren. Door de groei van een kubische kristallaag, de wetenschappers hebben een dunne, dichte verbindingslaag tussen de elektroden van de batterij. Professor Nobuyuki Zettsu en professor Katsuya Teshima leidden het onderzoek. De auteurs publiceerden hun resultaten in: Wetenschappelijke rapporten .

"Vanwege enkele intrinsieke kenmerken van vloeibare elektrolyten, zoals een laag lithiumtransportnummer, complexe reactie op het grensvlak vast/vloeibaar, en thermische instabiliteit, het is niet mogelijk geweest om tegelijkertijd hoge energie en vermogen te bereiken in een van de huidige elektrochemische apparaten, " zei Nobuyuki Zettsu, als eerste auteur op het papier.

Lithium-ionbatterijen zijn oplaadbaar en voeden apparaten zoals mobiele telefoons, laptops, elektrisch gereedschap, en zelfs stroom opslaan voor het elektriciteitsnet. Ze zijn bijzonder gevoelig voor temperatuurschommelingen, en waarvan bekend is dat ze branden of zelfs explosies veroorzaken. Als antwoord op de problemen met vloeibare elektrolyten, wetenschappers werken aan de ontwikkeling van een betere volledig solid-state batterij zonder vloeistof.

"Ondanks de verwachte voordelen van volledig solid-state batterijen, hun vermogenskarakteristiek en energiedichtheden moeten worden verbeterd om hun toepassing in technologieën zoals elektrische langeafstandsvoertuigen mogelijk te maken, "Zei Zettsu. "De lage snelheidscapaciteiten en lage energiedichtheden van de volledig solid-state batterijen zijn gedeeltelijk te wijten aan een gebrek aan geschikte vaste-vaste heterogene interfacevormingstechnologieën die een hoge iconische geleidbaarheid vertonen vergelijkbaar met vloeibare elektrolytsystemen."

Zettsu en zijn team kweekten vaste elektrolytkristallen van het granaat-type in gesmolten LiOH, gebruikt als oplosmiddel (flux) op een substraat dat de elektrode in een vaste toestand bond terwijl ze groeiden. Een specifieke kristalverbinding waarvan bekend is dat deze kubisch groeit, stelde de onderzoekers in staat om de dikte en het verbindingsgebied binnen de laag te regelen, die fungeert als een keramische scheider.

"Elektronenmicroscopie-waarnemingen onthulden dat het oppervlak dicht bedekt is met goed gedefinieerde polyedrische kristallen. Elk kristal is verbonden met aangrenzende kristallen, ’ schreef Zettsu.

Zettsu zei ook dat de nieuw gegroeide kristallaag de ideale keramische scheider zou kunnen zijn bij het stapelen van de elektrolytlaag op de elektrodelaag.

"Wij zijn van mening dat onze aanpak, die robuust is tegen nevenreacties aan het grensvlak, mogelijk kan leiden tot de productie van ideale keramische scheiders met een dun en dicht grensvlak, " schreef Zettsu, opmerkend dat het keramiek dat in dit specifieke experiment werd gebruikt, te dik was om in vaste batterijen te worden gebruikt. "Echter, zolang de elektrodelaag maar zo dun kan worden gemaakt als 100 micron, de stapellaag zal werken als een solide batterij."

Honderd micron is ongeveer de breedte van een mensenhaar, en iets minder dan tweemaal de dikte van een standaard elektrodelaag in hedendaagse lithium-ionbatterijen. "All-solid-state batterijen zijn veelbelovende kandidaten voor apparaten voor energieopslag, "Zettsu zei, opmerkend dat er al verschillende samenwerkingen tussen onderzoekers en particuliere bedrijven aan de gang zijn met het uiteindelijke doel om volledig solid-state batterijmonsters te tonen tijdens de Olympische Spelen van 2020 in Tokio.

Zettsu en andere onderzoekers zijn van plan om tegen 2022 prototypecellen te fabriceren voor gebruik in elektrische voertuigen en voor draagbare apparaten.