In het licht van de voortdurende verschuiving naar technologieën voor hernieuwbare energie en het groeiende aantal Internet of Things (IoT)-apparaten, onderzoekers over de hele wereld proberen batterijen te ontwikkelen die efficiënter en voor langere tijd kunnen werken. Lithium-ionbatterijen (LIB's) zijn momenteel de voorkeurstechnologie voor energieopslag voor draagbare elektronica, omdat ze organische elektrolyten bevatten, die typisch hoge bedrijfsspanningen en energiedichtheden mogelijk maken.

Ondanks het wijdverbreide gebruik, het verder verbeteren van de prestaties van bestaande LIB's zou een aanzienlijke impact kunnen hebben op hun veiligheid. In feite, deze batterijen bevatten zeer vluchtige en ontvlambare organische carbonaten, die, indien ontstoken, kan aanzienlijke schade veroorzaken.

In recente jaren, onderzoekers hebben aanzienlijke inspanningen geleverd om deze veiligheidsproblemen op te lossen, bijvoorbeeld, door het gebruik van aanvullende stoffen of door het optimaliseren van de materialen die batterijcomponenten scheiden. Hoewel sommige van deze strategieën het risico dat de batterij vlam vat met succes hebben verminderd, zolang LIB's zijn gemaakt met licht ontvlambare elektrolyten, er kunnen nog steeds ongelukken gebeuren.

In de hoop de weg vrij te maken voor veiligere en beter presterende LIB's, onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben onlangs een alternatieve, op cyclische fosfaat gebaseerde elektrolyt ontworpen en gesynthetiseerd die niet-ontvlambaar is. Hun elektrolyt, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Energie , maakt veilig, zeer stabiele werking en hoogspanning, beter presteren dan de oplosmiddelen in de meeste bestaande LIB's.

"Het elektrolytoplosmiddel voor lithium-ionbatterijen (LIB's) is al bijna 30 jaar onveranderd, " Prof. Atsuo Yamada, een van de onderzoekers die de nieuwe elektrolyt ontwikkelden, vertelde TechXplore. "We vinden dus dat er veel ruimte moet zijn voor het ontwikkelen van geavanceerde LIB's, als we een alternatief oplosmiddel vinden. Met dit in gedachten, onder leiding van Prof. Makoto Gonokami, voorzitter van de Universiteit van Tokio, we zijn een samenwerking aangegaan met Prof. Eiichi Nakamura, die een zeer gevestigde onderzoeker is op het gebied van organische synthese, om een ​​nieuw elektrolyt-oplosmiddel te ontwerpen met als doel de batterijprestaties en veiligheid te verbeteren."

Yamada, Nakamura en hun collega's ontwierpen hun op cyclische fosfaat gebaseerde elektrolyt door de chemische structuren van het conventionele elektrolytoplosmiddel EC en een brandvertrager te versmelten. Dit geeft de fosfaateigenschappen van beide moleculen, inclusief de hoogspanningstolerantie van het oplosmiddel en de niet-ontvlambaarheid van de brandvertrager, het minimaliseren van het risico dat LIB's vlam vatten.

Bij het synthetiseren van de elektrolyt, vonden de onderzoekers dat de meest effectieve formule 0,95 M LiN (SO ₂ F) ₂ in TFEP/2, 2, 2-trifluorethylmethylcarbonaat. Deze specifieke samenstelling maakte de synthese mogelijk van een elektrolyt met een opmerkelijke onbrandbaarheid en een zelfdovende tijd van nul, evenals stabiele werking van grafietanodes en hoogspannings-LiNi _0,5 Mn _1.5 O ₄ kathoden.

"Onverwacht, het nieuwe elektrolytoplosmiddel kan de batterijspanning verhogen van 3,8 V tot 4,6 V en ook de levensduur van de batterij verbeteren, " zei Prof. Yamada. "We waren verrast om te zien dat het ontworpen oplosmiddel inderdaad zowel hoogspanningstolerantie als brandvertragend vermogen vertoonde, zoals we verwachtten van zijn chemische structuur. belangrijk, dit is het eerste geval dat een dergelijk rationeel ontwerp van chemische structuren in batterijelektrolyten is geslaagd."

Yamada, Nakamura, en hun collega's behoren tot de eersten die een alternatief elektrolytoplosmiddel identificeren dat de veiligheid van LIB's kan verhogen en tegelijkertijd hun prestaties kan verbeteren. In de toekomst, hun op cyclische fosfaat gebaseerde elektrolyt zou kunnen worden gebruikt om veilige en zeer efficiënte batterijen te maken voor een breed scala aan elektronische apparaten.

"We hopen dat ons werk veel onderzoekers zal stimuleren om een ​​verscheidenheid aan nieuwe materialen te ontwerpen en te ontwikkelen voor betere batterijen, " Prof. Yamada zei. "We zijn nu van plan om verder te werken aan dit nieuwe elektrolytoplosmiddel voor commerciële batterijtoepassingen en nieuwe multifunctionele batterijmaterialen te ontwikkelen op basis van onze ontwerpstrategie."

© 2020 Wetenschap X Netwerk