Elektrolyten zijn chemische componenten die de stroom van ionen tussen de kathode en anode in batterijen mogelijk maken, uiteindelijk elektrische stroom leveren aan technologische apparaten. De meeste conventionele en gemakkelijk verkrijgbare niet-waterige Li-ion-batterijen worden vervaardigd met behulp van op carbonaat gebaseerde elektrolyten.

Ondanks het wijdverbreide gebruik, de licht ontvlambare carbonaatelektrolyten beperken in hoge mate de temperaturen waarbij een batterij correct kan werken vanwege hun hoge affiniteit tussen hun chemische oplosmiddelen en de ionen in batterijen. Dit leidt ertoe dat de meeste op carbonaatelektrolyten gebaseerde batterijen alleen veilig werken tussen -20°C en +50°C, of bij spanningen tussen 0,0 en 4,3 V.

Met dit in gedachten, een team van onderzoekers onder leiding van professor Chunsheng Wang van de Universiteit van Maryland in de VS en andere wetenschappers van de Universiteit van Zhejiang in China hebben onlangs een nieuw type batterij gefabriceerd dat bij een breder temperatuurbereik kan werken, gebruik van gefluoreerde elektrolyten met niet-polaire oplosmiddelen. Deze gefluoreerde elektrolyten zijn onbrandbaar, waardoor een hoge elektrochemische stabiliteit mogelijk is binnen een breder bereik van temperaturen en spanningen dan carbonaatelektrolyten.

"In de huidige elektrolyten, het elektrochemische stabiliteitsvenster en het bedrijfstemperatuurvenster kunnen niet tegelijkertijd het maximum bereiken vanwege intrinsieke beperking van de solvatatiestructuur van de elektrolyten, "Xia Ji, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "Door het Li-ion te verminderen en te binden met oplosmiddel door toevoeging van een anti-oplosmiddel, we ontkoppelden de elektrochemische en fysieke eigenschap van de elektrolyten en ontwikkelden alle temperaturen (-95 ^O C tot +60 ^O C) en alle spanningen (van 0,0V tot 5,6V) Li-ion batterij-elektrolyten", zei Dr. Xiulin Fan, de eerste auteur van het artikel.

Eigenlijk, Ji en zijn collega's waren in staat om de affiniteit tussen chemische oplosmiddelen en Li-ionen in batterijen te temmen door gefluoreerde elektrolyten op te lossen in sterk gefluoreerde niet-polaire oplosmiddelen (d.w.z. oplosmiddelen die bindingen tussen atomen met vergelijkbare elektronegativiteiten bevatten). De elektrolyten die ze gebruikten zorgen voor een hoge elektrochemische stabiliteit in een breed spanningsvenster van 0,0 tot 5,6 V, evenals hoge ionische geleidbaarheid binnen een breed temperatuurbereik tussen -125 en +70 °C.

Met de gefluoreerde elektrolyten, vonden de onderzoekers dat LiNi _0,8 Co _0,15 Al _0,05 O ₂ kathoden bereikten hoge Coulomb-efficiënties van 99,9 procent, tussen −95 en + 70 °C, terwijl agressieve Li-anoden en de hoogspannings (5,4 V) LiCoMnO ₄ behaalde Coulomb-efficiënties van 99,4 procent en 99 procent, respectievelijk. Bovendien, zelfs bij -85°C, de batterij zou nog steeds ~ 50 procent van zijn capaciteit bij kamertemperatuur kunnen leveren.

"De Li-ionentransportbarrières zijn drastisch verminderd in onze elektrolyt, het vloeistofbereik van de elektrolyt wordt sterk verbreed, " zei Chunsheng Wang. "Bovendien, de ontwikkelde elektrolyt is bestand tegen een veel hogere spanning in vergelijking met de conventionele gecommercialiseerde carbonaatelektrolyten. Daarom, de batterijen op basis van onze elektrolyt kunnen binnen een veel groter temperatuurbereik werken."

De gefluoreerde elektrolyten die door Wang en zijn collega's worden gebruikt, zijn tot nu toe effectiever gebleken dan carbonaatelektrolyten, het bereiken van een hoge elektrochemische stabiliteit binnen een breder spanningsvenster en hoge ionische geleidbaarheid bij een breder temperatuurbereik. Omdat ze volledig onbrandbaar zijn, ze zijn ook veel veiliger dan carbonaatelektrolyten. In de toekomst, de elektrolyten die door dit team van onderzoekers zijn voorgesteld, kunnen worden gebruikt om hoogwaardige batterijen te bouwen die ook in extreme klimaten kunnen functioneren, bijvoorbeeld in het Noordpoolgebied of in de Afrikaanse savanne.

"We zullen nu proberen de samenstelling van de batterijen die we hebben ontwikkeld te optimaliseren om hun kosten te verlagen en ook samenwerken met de batterij-industrie om de batterijen voor alle temperaturen te commercialiseren, " voegde Fan eraan toe.

© 2019 Wetenschap X Netwerk