Onderzoek bij Sandia National Laboratories heeft een groot obstakel geïdentificeerd voor het verbeteren van de prestaties van lithium-ionbatterijen in kleine elektronica:de stroom van lithiumionen over batterij-interfaces.

Sandia's driejarige Laboratory Directed Research and Development-project onderzocht de nanoschaalchemie van vastestofbatterijen, gericht op het gebied waar elektroden en elektrolyten contact maken. De meeste commerciële lithium-ionbatterijen bevatten een vloeibaar elektrolyt en twee vaste elektroden, maar solid-state batterijen hebben in plaats daarvan een vaste elektrolytlaag, waardoor ze langer meegaan en veiliger werken.

"Het onderliggende doel van het werk is om solid-state batterijen efficiënter te maken en de interfaces tussen verschillende materialen te verbeteren, "Sandia-fysicus Farid El Gabaly zei. "In dit project, alle materialen zijn solide; we hebben geen vloeistof-vaste interface zoals in traditionele lithium-ionbatterijen."

Het onderzoek is gepubliceerd in een Nano-letters papier getiteld, "Niet-Faradaic Li+-migratie en chemische coördinatie tussen solid-state batterij-interfaces." Auteurs zijn onder andere Sandia, postdoctoraal wetenschapper Forrest Gittleson en El Gabaly. Het werk werd gefinancierd door het Laboratory Directed Research and Development-programma, met aanvullende financiering door het Department of Energy's Office of Science.

El Gabaly legde uit dat in elke lithiumbatterij, het lithium moet heen en weer reizen van de ene elektrode naar de andere wanneer het wordt opgeladen en ontladen. Echter, de mobiliteit van lithiumionen is niet in alle materialen hetzelfde en interfaces tussen materialen vormen een groot obstakel.

Het kruispunt versnellen

El Gabaly vergelijkt het werk met het uitzoeken hoe het verkeer snel door een druk kruispunt kan worden geleid.

"Voor ons, we proberen de file op de kruising tussen twee materialen te verminderen, " hij zei.

El Gabaly vergeleek de elektrode-elektrolyt-interface met een tolhuisje of samenvoeging op een snelweg.

"We nemen in wezen de tolgelden weg en zeggen dat iedereen door de snelle weg moet gaan, dus je egaliseert of elimineert de vertragingen, " zei hij. "Als je het proces op de interface verbetert, heb je de juiste infrastructuur voor voertuigen om gemakkelijk te passeren. Je moet nog betalen, maar het is sneller en gecontroleerder dan mensen die munten zoeken in het handschoenenkastje."

Er zijn twee belangrijke interfaces in solid-state batterijen, hij legde uit, bij de kathode-elektrolytovergang en elektrolyt-anodeovergang. Beide kunnen de prestatielimieten van een volle batterij dicteren.

Gittleson voegt toe, "Als we een van deze knelpunten identificeren, wij vragen, 'Kunnen we het aanpassen?' En dan proberen we de interface te veranderen en de chemische processen in de loop van de tijd stabieler te maken."

Sandia's interesse in solid-state batterijen

El Gabaly zei dat Sandia geïnteresseerd is in het onderzoek, vooral omdat solid-state batterijen weinig onderhoud vergen, betrouwbaar en veilig. Vloeibare elektrolyten zijn doorgaans reactief, vluchtig en licht ontvlambaar en zijn een belangrijke oorzaak van het uitvallen van commerciële batterijen. Door de vloeibare component te elimineren, kunnen deze apparaten beter presteren.

"Onze focus lag niet op grote batterijen, zoals in elektrische voertuigen, "Zei El Gabaly. "Het was meer voor kleine of geïntegreerde elektronica."

Aangezien Sandia's laboratorium in Californië geen onderzoek naar vaste-stofbatterijen heeft uitgevoerd, het project legde eerst de basis voor het prototypen van batterijen en het onderzoeken van interfaces.

"Dit soort karakterisering is niet triviaal omdat de interfaces waarin we geïnteresseerd zijn slechts een paar atomaire lagen dik zijn, Gittleson zei. "We gebruiken röntgenstralen om de chemie van die begraven interfaces te onderzoeken, door slechts enkele nanometers materiaal heen kijken. Hoewel het een uitdaging is om experimenten te ontwerpen, we zijn erin geslaagd die regio's te onderzoeken en de chemie te relateren aan volledige batterijprestaties."

Verwerking van het onderzoek

Het onderzoek is uitgevoerd met materialen die zijn gebruikt in eerdere proof-of-concept solid-state batterijen.

"Aangezien deze materialen niet op grote commerciële schaal worden geproduceerd, we moesten in staat zijn om volledige apparaten ter plaatse te fabriceren, "Zei El Gabaly. "We zochten naar methoden om de batterijen te verbeteren door de interfaces op verschillende manieren te plaatsen of te veranderen of door materialen uit te wisselen."

Het werk maakte gebruik van gepulste laserdepositie en röntgenfoto-elektronspectroscopie in combinatie met elektrochemische technieken. Dit maakte zeer kleinschalige afzetting mogelijk omdat de batterijen dun zijn en geïntegreerd op een siliciumwafel.

"Met deze methode we kunnen de interface ontwerpen tot op nanometer- of zelfs subnanometerniveau, " Gittleson zei:eraan toevoegend dat honderden voorbeelden zijn gemaakt.

Door op deze manier batterijen te bouwen, konden de onderzoekers een nauwkeurig beeld krijgen van hoe die interface eruit ziet, omdat de materialen zo controleerbaar kunnen worden geassembleerd.

De volgende fase van het onderzoek is om de prestaties van de batterijen te verbeteren en ze samen te voegen met andere Sandia-technologieën.

"We kunnen nu onze batterijen gaan combineren met LED's, sensoren, kleine antennes of een willekeurig aantal geïntegreerde apparaten, "Zei El Gabaly. "Hoewel we blij zijn met onze batterijprestaties, we kunnen altijd proberen om het meer te verbeteren."