Een veiligere, groenere en goedkope oplaadbare batterij voor het voeden van elektrische voertuigen, mobiele telefoons en vele andere toepassingen zou een stap dichterbij kunnen zijn na een baanbrekende ontdekking door NUS-onderzoekers.

Het team onder leiding van assistent-professor Pieremanuele (Piero) Canepa (afdeling Materials Science and Engineering aan het NUS College of Design and Engineering) heeft een nieuwe op natriumionen gebaseerde vaste elektrolytsamenstelling geïdentificeerd die ultrasnelle batterijlading en -ontlading mogelijk maakt.

Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in Nature Communications .

"Conventionele en veelgebruikte lithium-ionbatterijen worden geplaagd door veiligheidsproblemen, vooral vanwege de hoge ontvlambaarheid van de vloeibare elektrolyten die ze bevatten," zei Asst Prof Canepa.

"De uitdaging was het vinden van veiligere solid-state alternatieven die kunnen concurreren op het gebied van laadsnelheid, levensduur en potentieel laadvermogen."

Veiligere batterijen met hoge capaciteit

Het gebruik van niet-ontvlambare keramische materialen - bekend als vaste elektrolyten - om een ​​volledig solid-state batterij te maken, wordt door onderzoekers algemeen gezien als het beste vooruitzicht om veiligere batterijen met een hoge capaciteit te leveren die nodig zijn om te voldoen aan de energie-eisen van een koolstofarme toekomst.

De moeilijkheid was het ontwikkelen van de juiste samenstelling van keramisch materiaal dat prestaties kan leveren die concurreren met ontvlambare vloeibare elektrolyten van commerciële lithium-ionbatterijen.

De nieuwe vastestofsamenstelling ontwikkeld door het NUS-team maakt gebruik van een klasse vaste elektrolyten die bekend staat als NASICON's (of Natrium Super Ionic Conductors) die ongeveer vier decennia geleden voor het eerst werden ontdekt door Hong en Goodenough - de Nobelprijswinnaar voor scheikunde van 2019.

Naast het feit dat de batterij veiliger is, heeft de batterij door het gebruik van natrium in plaats van lithium het extra voordeel dat hij goedkoper en gemakkelijker te produceren is.

"Het grootste deel van het lithium in de wereld, dat op zichzelf een vrij zeldzaam element is, is afkomstig van slechts een paar plaatsen - voornamelijk Chili, Bolivia en Australië", zei Asst Prof Canepa. "Het gebruik van een batterij die afhankelijk is van natrium is echter veel efficiënter, omdat natrium gemakkelijk en zelfs schoon kan worden geëxtraheerd, zelfs in een kleine plaats zoals hier in Singapore."

Geavanceerde aanpak

De ontdekking door het team van Asst Prof Canepa werd gedaan met behulp van een bottom-up benadering waarbij eerst een theoretisch atomair schaalmodel van de NASICON-keramische compositie werd ontwikkeld met behulp van krachtige supercomputers en nieuwe algoritmen die door hetzelfde team werden ontwikkeld.

De ontworpen compositie werd vervolgens experimenteel gesynthetiseerd, gekarakteriseerd en getest door het team van professor Masquelier van het CNRS Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, in Amiens, Frankrijk. De snelheid van ionenbeweging in de nieuwe NASICON-samenstelling werd vervolgens gemeten bij NUS en bij het Institute of Energy and Climate Research in Jülich, Duitsland.

"De methode die we hebben gebruikt, stelt onderzoekers in staat om de ontwikkeling en optimalisatie van nieuwe vaste elektrolyten voor volledig solid-state batterijen te versnellen, die cruciaal zijn voor het bereiken van veiligere batterijen met een hoge vermogensdichtheid," zei Asst Prof Canepa.

"Deze geavanceerde aanpak zal naar onze mening van cruciaal belang zijn voor de ontwikkeling van de volgende generatie technologieën voor de opslag van schone energie."

De volgende fase van het onderzoek, waar het team nu aan werkt, zal zich richten op het ontwikkelen van een full-size solide batterij met behulp van NASICON-keramiek en het demonstreren van de laad- en ontlaadprestaties.

Asst Prof Canepa leidt het Canepa Research Laboratory bij NUS, dat gebruik maakt van de kracht van supercomputers en geavanceerde simulatie-algoritmen om de grenzen te verleggen in de transformatie en opslag van schone energie.

Canepa Lab-onderzoek naar volledig solid-state-batterijen

In een verwante studie onderzochten onderzoekers van het Canepa Lab een van de belangrijkste uitdagingen bij de ontwikkeling van volledig solid-state batterijen:de interface tussen de alkalimetaalanode en de vaste elektrolyt, die vaak onstabiel is en een bron van batterijstoringen is. .

De stabiliteit van dit grensvlak hangt af van de eigenschappen van de chemisch verschillende tussenlaag die zich aan de grens vormt, bekend als de vaste elektrolyt-interfase.

In hun onderzoek, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift PRX Energy , het team onder leiding van onderzoeksmedewerker Yuheng Li, bestudeerde de batterij-interface tussen een lithium-metaalanode en een bekende vaste elektrolyt, waarbij een zelfbeperkende en stabiele interfase ontstaat.

Om de oorsprong van deze stabiliteit te begrijpen, gebruikten de auteurs simulaties op atomaire schaal om de elektronische geleidbaarheid van de interfase te modelleren. Ze ontdekten dat de interfase elektronisch isoleert en dus de progressieve vorming van zichzelf stopt en de interface stabiliseert.

Het team zegt dat hun bevindingen ontwerprichtlijnen bieden voor stabiele batterij-interfaces, waardoor de commercialisering van veilige en krachtige volledig solid-state batterijen wordt versneld. + Verder verkennen

Nieuw pad voor batterijontwerp op basis van polymeer van de volgende generatie