Yuan Yang, assistent-professor materiaalkunde en engineering aan Columbia Engineering, heeft een nieuwe methode ontwikkeld die ertoe kan leiden dat lithiumbatterijen veiliger zijn, hebben een langere levensduur van de batterij, en zijn buigbaar, nieuwe mogelijkheden bieden, zoals flexibele smartphones. Zijn nieuwe techniek maakt gebruik van ijstemplating om de structuur van de vaste elektrolyt te regelen voor lithiumbatterijen die worden gebruikt in draagbare elektronica. elektrische voertuigen, en energieopslag op netniveau. De studie is online gepubliceerd op 24 april in Nano-letters .

Vloeibare elektrolyt wordt momenteel gebruikt in commerciële lithiumbatterijen, en, zoals iedereen nu weet, het is licht ontvlambaar, veiligheidsproblemen veroorzaken bij sommige laptops en andere elektronische apparaten. Het team van Yang onderzocht het idee om vaste elektrolyt te gebruiken als vervanging voor de vloeibare elektrolyt om volledig solid-state lithiumbatterijen te maken. Ze waren geïnteresseerd in het gebruik van ijstemplating om verticaal uitgelijnde structuren van keramische vaste elektrolyten te fabriceren, die snelle lithiumionroutes bieden en zeer geleidend zijn. Ze koelden de waterige oplossing met keramische deeltjes vanaf de bodem en lieten vervolgens ijs groeien en duwden de keramische deeltjes weg en concentreerden zich. Vervolgens oefenden ze een vacuüm uit om het vaste ijs om te zetten in een gas, het verlaten van een verticaal uitgelijnde structuur. Eindelijk, ze combineerden deze keramische structuur met polymeer om mechanische ondersteuning en flexibiliteit aan de elektrolyt te bieden.

"In draagbare elektronische apparaten, evenals elektrische voertuigen, flexibele all-solid-state lithiumbatterijen lossen niet alleen de veiligheidsproblemen op, maar ze kunnen ook de energiedichtheid van de batterij verhogen voor transport en opslag. En ze zijn veelbelovend in het maken van buigbare apparaten, " zegt Yang, wiens onderzoeksgroep zich richt op elektrochemische energieopslag en -conversie en thermisch energiebeheer.

Onderzoekers in eerdere studies gebruikten ofwel willekeurig verspreide keramische deeltjes in polymeerelektrolyt of vezelachtige keramische elektrolyten die niet verticaal zijn uitgelijnd. "We dachten dat als we de verticaal uitgelijnde structuur van de keramische elektrolyt zouden combineren met de polymeerelektrolyt, we zouden een snelle snelweg voor lithiumionen kunnen bieden en zo de geleidbaarheid kunnen verbeteren, " zegt Haowei Zhai, Yang's promovendus en hoofdauteur van de paper. "We denken dat dit de eerste keer is dat iemand de ijstemplating-methode heeft gebruikt om flexibel vast elektrolyt te maken, die niet-ontvlambaar en niet-toxisch is, in lithiumbatterijen. Dit opent een nieuwe benadering om de ionengeleiding voor oplaadbare batterijen van de volgende generatie te optimaliseren."

In aanvulling, zeggen de onderzoekers, deze techniek zou in principe de energiedichtheid van batterijen kunnen verbeteren:door gebruik te maken van de vaste elektrolyt, de negatieve elektrode van de lithiumbatterij, momenteel een grafietlaag, zou kunnen worden vervangen door lithiummetaal, en dit zou de specifieke energie van de batterij met 60% tot 70% kunnen verbeteren. Yang en Zhai zijn van plan om daarnaast te werken aan het optimaliseren van de kwaliteiten van de gecombineerde elektrolyt en de assemblage van de flexibele vaste elektrolyt samen met batterij-elektroden om een ​​prototype van een volledige lithiumbatterij te bouwen.

"Dit is een slim idee, " zegt Hailiang Wang, assistent-professor scheikunde aan de Yale University. "De rationeel ontworpen structuur helpt echt om de prestaties van composietelektrolyt te verbeteren. Ik denk dat dit een veelbelovende aanpak is."