(Phys.org) — Op zoek naar verbeterde batterijen voor het opladen van elektrische auto's en het opslaan van energie uit hernieuwbare maar intermitterende zonne- en windenergie, wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory hebben de eerste hoogwaardige, nanogestructureerde vaste elektrolyt voor meer energierijke lithium-ionbatterijen.

De huidige lithium-ionbatterijen zijn afhankelijk van een vloeibaar elektrolyt, het materiaal dat ionen geleidt tussen de negatief geladen anode en de positieve kathode. Maar vloeibare elektrolyten brengen vaak veiligheidsproblemen met zich mee vanwege hun ontvlambaarheid, vooral omdat onderzoekers proberen meer energie in een kleiner batterijvolume te stoppen. Batterijen bouwen met een vast elektrolyt, zoals ORNL-onderzoekers hebben aangetoond, zou deze veiligheidsproblemen en groottebeperkingen kunnen wegnemen.

"Om een ​​veiliger, lichtgewicht batterij, we hebben het ontwerp in het begin nodig om veiligheid in gedachten te houden, " zei ORNL's Chengdu Liang, die de nieuw gepubliceerde studie leidde in de Tijdschrift van de American Chemical Society . "We zijn begonnen met een conventioneel materiaal dat zeer stabiel is in een batterijsysteem - in het bijzonder een materiaal dat compatibel is met een lithiummetaalanode."

De mogelijkheid om puur lithiummetaal als anode te gebruiken, kan uiteindelijk batterijen opleveren die vijf tot tien keer krachtiger zijn dan de huidige versies, die op koolstof gebaseerde anoden gebruiken.

"Het fietsen van zeer reactief lithiummetaal in ontvlambare organische elektrolyten veroorzaakt ernstige veiligheidsproblemen, Liang zei. "Een vaste elektrolyt zorgt ervoor dat het lithiummetaal goed kan fietsen, met sterk verbeterde veiligheid."

Het ORNL-team ontwikkelde zijn vaste elektrolyt door een materiaal genaamd lithiumthiofosfaat te manipuleren, zodat het ionen 1 kon geleiden. 000 keer sneller dan zijn natuurlijke bulkvorm. De onderzoekers gebruikten een chemisch proces genaamd nanostructurering, die de structuur verandert van de kristallen waaruit het materiaal bestaat.

"Denk erover na in termen van een groot kwartskristal versus heel fijn strandzand, " zei co-auteur Adam Rondinone. "Je kunt hetzelfde totale volume materiaal hebben, maar het is opgedeeld in hele kleine deeltjes die samengepakt zijn. Het is gemaakt van dezelfde atomen in ongeveer dezelfde verhoudingen, maar op nanoschaal is de structuur anders. En nu geleidt dit vaste materiaal lithiumionen met een veel grotere snelheid dan het oorspronkelijke grote kristal."

De onderzoekers gaan door met het testen van batterijcellen op laboratoriumschaal, en een patent op de uitvinding van het team is in behandeling.

"We gebruiken een kamertemperatuur, op oplossingen gebaseerde reactie waarvan we denken dat deze gemakkelijk kan worden opgeschaald, " zei Rondinone. "Het is een energiezuinige manier om grote hoeveelheden van dit materiaal te maken."