Onderzoekers van A*STAR's NanoBio Lab (NBL) hebben een halfvaste elektrolyt ontworpen voor lithium-zwavelbatterijen die hun veiligheid verbetert zonder afbreuk te doen aan hun prestaties. Deze veelbelovende doorbraak maakt de weg vrij voor lithium-zwavelbatterijen die kunnen worden gebruikt als efficiënte stroomoplossingen in diverse elektronische en energieopslagtoepassingen.

Veiligheid is een belangrijk probleem dat het gebruik van lithiumbatterijen door de industrie belemmert, vanwege hun licht ontvlambare vloeibare organische elektrolyten die gemakkelijk lekken, en hun afhankelijkheid van thermisch en mechanisch onstabiele elektrodescheiders. Hoewel vastestofelektrolyten potentieel hebben aangetoond om het veiligheidsprofiel van lithiumbatterijen te verbeteren, hun slechte elektrode/elektrolytcontact en beperkte ionische geleidbaarheid hebben geleid tot grote geleidbaarheidsknelpunten en lage prestaties.

Prof. Jackie Y. Ying, die aan het hoofd staat van het NBL-onderzoeksteam deelde, "Hybride quasi-vaste elektrolyten die zowel vloeibare als vaste componenten bevatten, zijn naar voren gekomen als een praktisch compromis om veiligere batterijen te verkrijgen met behoud van goede prestaties. de hoge weerstand van de vaste component heeft tot dusverre de prestaties van dergelijke batterijen beperkt. Om dit te overwinnen, we hebben de microstructuur van de vaste component opnieuw ontworpen. Onze oplossing elimineert elektrolytlekkage, en is thermisch en mechanisch stabiel."

Het NBL-onderzoeksteam ontwierp een hybride quasi-vast elektrolyt, die bestaat uit een met vloeistof doordrenkt poreus membraan gemaakt van Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ (LLZO) bladen. Het team ontwikkelde ook een nieuwe methode voor het vervaardigen van de LLZO-platen die worden gebruikt om het raamwerk voor de elektrolyt te construeren. Ze noemden dit eenstapsproces voor het produceren van een 3D-sheetframe de 'cupcake'-methode.

LLZO werd gekozen vanwege zijn hoge ionische geleidbaarheid, en goede chemische en elektrochemische stabiliteit. De niet-stijve structuur van de elektrolyt zorgt ervoor dat het een zeer goed contact met de elektroden behoudt en voorkomt dat het barst tijdens het hanteren en monteren van de batterij. Dit resulteert in veiligere batterijen met betere prestaties. De halfvaste elektrolyt van NBL is ook stabiel over een breed spanningsbereik, waardoor het kan worden gebruikt met verschillende materialen voor lithiumbatterij-elektroden, inclusief hoogspanningskathodes.

Een lithium-zwavelbatterij gemaakt met NBL's nieuwe elektrolyt vertoonde een hoge capaciteit, snel opladen/ontladen, en interessante polysulfide pendelbesturing die de prestaties van de batterij stabiliseerde. Bij testen, de nieuwe elektrolyt bereikte een opmerkelijk snelheidsvermogen (~515 en ~340 mAh/g bij 1 en 2C, respectievelijk) bij 1,5 mg/cm ² laaddichtheid. Dit is een van de hoogst bekende prestaties van lithium-zwavel hybride quasi-vaste batterijen.

Prof. Ying zei, "Ons 3D-raamwerk op basis van platen bleek cruciaal te zijn voor optimale batterijprestaties. ons systeem vertoonde een uitstekende stabiliteit onder extreme temperaturen. Deze resultaten illustreren het uitstekende potentieel van onze op vellen gebaseerde structuur als raamwerk voor andere halfvaste lithiumbatterijen."

Het NBL-team ontwikkelt nieuwe lithium-ionen, lithium-zwavel en lithium solid-state batterijen op weg naar commercialisering.

Eenstaps 'Cupcake'-synthesemethode

Metaalprecursoren en sucrose worden opgelost in water en in een voorgeprogrammeerde oven geplaatst.

In de oven:

• De oplossing wordt verwarmd om een ​​bruine "cupcake" te vormen.
• De cupcake wordt vervolgens op hoge temperatuur verwarmd om vellen te vormen