Als het om batterijen gaat, er zijn altijd verbeterpunten:de race is gaande om batterijen te ontwikkelen die goedkoper zijn, veiliger, langer durend, meer energiedicht, en gemakkelijk recyclebaar.

In een overzichtsartikel gepubliceerd in het maartnummer van 2020 Natuur Nanotechnologie , nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië, San Diego, bieden een onderzoeksroutekaart met vier uitdagingen die moeten worden aangepakt om een ​​veelbelovende klasse van batterijen - volledig solid-state batterijen - op de markt te brengen. Dit artikel vat het werk van het team samen om deze uitdagingen de afgelopen drie jaar aan te pakken, die zijn gerapporteerd in verschillende peer-reviewed artikelen die in verschillende tijdschriften zijn gepubliceerd.

In tegenstelling tot de oplaadbare lithium-ionbatterijen van tegenwoordig, die vloeibare elektrolyten bevatten die vaak ontvlambaar zijn, batterijen met vaste elektrolyten bieden de mogelijkheid van meer veiligheid, naast een hele reeks voordelen, waaronder een hogere energiedichtheid.

In de Natuur Nanotechnologie recensie-artikel, de onderzoekers richten zich op anorganische vaste elektrolyten zoals keramische oxiden of sulfideglazen. Anorganische vaste elektrolyten zijn een relatief nieuwe klasse vaste elektrolyten voor volledig vastestofbatterijen (in tegenstelling tot organische vaste elektrolyten die uitgebreider zijn onderzocht).

Roadmap:anorganische elektrolyten voor all-solid-state batterijen

Hieronder volgt een overzicht van de routekaart die de onderzoekers in hun overzichtsartikel beschrijven:

1. Stabiele chemische interfaces voor vaste elektrolyten creëren
2. Nieuwe tools voor in opera diagnose en karakterisering
3. Schaalbare en kosteneffectieve produceerbaarheid
4. Batterijen ontworpen voor recyclebaarheid

"Het is van cruciaal belang dat we een stap terug doen en nadenken over hoe we deze uitdagingen tegelijkertijd kunnen aanpakken, omdat ze allemaal met elkaar verband houden, " zei Shirley Meng, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Als we de belofte van volledig solid-state batterijen waar willen maken, we moeten oplossingen vinden die al deze uitdagingen tegelijkertijd aanpakken."

Als directeur van het UC San Diego Sustainable Power and Energy Center en directeur van het UC San Diego Institute for Materials Discovery and Design, Meng is een belangrijk lid van een cluster van onderzoekers in de voorhoede van al het onderzoek en de ontwikkeling van vaste-stofbatterijen aan UC San Diego.

Stabiele chemische interfaces voor vaste elektrolyten creëren

Vastestofelektrolyten hebben een lange weg afgelegd sinds hun beginjaren, toen de eerste ontdekte elektrolyten geleidbaarheidswaarden vertoonden die te laag waren voor praktische toepassingen. De huidige geavanceerde elektrolyten in vaste toestand vertonen geleidbaarheid die zelfs die van conventionele vloeibare elektrolyten die in de huidige batterijen worden gebruikt, overtreft (groter dan 10 mS cm ^-1 ). Ionische geleidbaarheid verwijst naar hoe snel lithiumionen in de elektrolyt kunnen bewegen.

Helaas, de meest gerapporteerde sterk geleidende vaste elektrolyten zijn vaak elektrochemisch onstabiel en ondervinden problemen wanneer ze worden toegepast tegen elektrodematerialen die in batterijen worden gebruikt.

"Op dit punt, we moeten onze focus verleggen van het najagen van hogere ionische geleidbaarheid. In plaats daarvan, we moeten ons concentreren op de stabiliteit tussen elektrolyten in vaste toestand en elektroden, " zei Meng.

Als ionische geleidbaarheid analoog is aan hoe snel een auto kan worden gereden, dan verwijst interfacestabiliteit naar hoe moeilijk het is om door het spitsuur te komen. Het maakt niet uit hoe snel uw auto kan gaan als u op weg naar uw werk in de file staat.

Onderzoekers van UC San Diego hebben onlangs dit knelpunt in de stabiliteit van de interface aangepakt, demonstreren hoe de elektrode-elektrolyt-interface kan worden gestabiliseerd en de batterijprestaties kunnen worden verbeterd met behulp van vaste elektrolyten met matige ionische geleidbaarheid maar stabiele interfaces vertonen.

Nieuwe tools voor in opera diagnose en karakterisering

Waarom falen batterijen? Waarom treedt er kortsluiting op? Het proces om te begrijpen wat er in een batterij gebeurt, vereist karakterisering tot op nanoschaal, idealiter in realtime. Voor volledig solid-state batterijen, dit is enorm uitdagend.

Batterijkarakterisering is meestal gebaseerd op het gebruik van sondes zoals röntgenstralen, of elektronen- of optische microscopie. In commerciële lithium-ionbatterijen, de gebruikte vloeibare elektrolyten zijn transparant, waardoor observatie van verschillende fenomenen op de respectieve elektroden mogelijk is. In sommige gevallen, deze vloeistof kan ook worden weggespoeld om een ​​schoner oppervlak te verkrijgen voor karakterisering met een hogere resolutie.

"Het is veel gemakkelijker om de huidige lithium-ionbatterijen te observeren. Maar in volledig solid-state batterijen, alles is vast of begraven. Als u dezelfde technieken probeert voor volledig solid-state batterijen, het is alsof je door een bakstenen muur probeert te kijken, " zei Darren H.S. Tan, een nano-engineering Ph.D. kandidaat aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

In aanvulling, vaste elektrolyten en lithiummetaal die in vaste-stofbatterijen worden gebruikt, kunnen gevoelig zijn voor schade door elektronenstralen. Dit betekent dat standaard elektronenmicroscopietechnieken die worden gebruikt om batterijen te bestuderen, de materialen van belang zouden beschadigen voordat ze kunnen worden waargenomen en gekarakteriseerd.

Een van de manieren waarop onderzoekers van UC San Diego deze uitdagingen het hoofd bieden, is het gebruik van cryogene methoden om batterijmaterialen koel te houden, het verminderen van hun ontbinding onder de sonde van de elektronenmicroscoop.

Een ander hulpmiddel dat wordt gebruikt om de obstakels van het karakteriseren van vaste elektrolytinterfaces te overwinnen, is röntgentomografie. Dit is vergelijkbaar met wat mensen ondergaan tijdens hun gezondheidscontroles. De benadering werd gebruikt in een recent artikel waarin werd gerapporteerd over de waarneming - zonder de batterij zelf te openen of te verstoren - van lithiumdendrieten begraven in de vaste elektrolyt.

Schaalbare en kosteneffectieve produceerbaarheid

Doorbraken in batterijonderzoek betekenen vaak niet veel als ze niet schaalbaar zijn. Dit omvat verbeteringen voor volledig solid-state batterijen. Als deze klasse batterijen de komende jaren op de markt komt, de batterijgemeenschap heeft manieren nodig om hun gevoelige componentmaterialen kosteneffectief en op grote schaal te produceren en te verwerken.

In de laatste paar decennia, onderzoekers hebben in het laboratorium verschillende vaste elektrolytmaterialen ontwikkeld die chemische eigenschappen vertonen die ideaal zijn voor batterijen. Helaas, veel van deze veelbelovende materialen zijn ofwel te duur ofwel te moeilijk op te schalen voor grootschalige productie. Bijvoorbeeld, veel worden zeer broos als ze dun genoeg worden gemaakt voor roll-to-roll productie, waarvoor diktes van minder dan 30 micrometer vereist zijn.

Aanvullend, methoden om vaste elektrolyten op grotere schaal te produceren zijn niet goed ingeburgerd. Bijvoorbeeld, de meeste syntheseprotocollen vereisen meerdere energetische processen die meerdere malen frezen, thermische gloei- en oplossingsverwerkingsstappen.

Om dergelijke beperkingen te overwinnen, onderzoekers van UC San Diego voegen meerdere expertisegebieden samen. Ze combineren keramiek dat wordt gebruikt in de traditionele materiaalwetenschappen met polymeren die worden gebruikt in de organische chemie om flexibele en stabiele vaste elektrolyten te ontwikkelen die compatibel zijn met schaalbare productieprocessen. Om problemen van materiaalsynthese aan te pakken, het team rapporteert ook hoe solide elektrolytmaterialen schaalbaar kunnen worden geproduceerd met behulp van fabricage in één stap zonder dat extra gloeistappen nodig zijn.

Batterijen ontworpen voor recyclebaarheid

Gebruikte batterijen bevatten waardevolle materialen die in beperkte mate kunnen worden hergebruikt, zoals lithium en kobalt.

Wanneer ze het einde van hun levenscyclus bereiken, deze batterijen moeten ergens heen, anders zullen ze in de loop van de tijd gewoon als afval worden opgehoopt.

De recyclingmethoden van vandaag, echter, zijn vaak duur, energie- en tijdsintensief, en bevatten giftige chemicaliën voor verwerking. Bovendien, deze methoden winnen slechts een klein deel van de batterijmaterialen terug vanwege de lage recyclingsnelheid van elektrolyten, lithiumzouten, scheidingsteken, additieven en verpakkingsmaterialen. Voor een groot deel, dit komt omdat de batterijen van vandaag niet vanaf het begin zijn ontworpen met kosteneffectieve recycleerbaarheid in het achterhoofd.

Onderzoekers van UC San Diego lopen voorop bij het ontwerpen van herbruikbaarheid en recycleerbaarheid in de volledig solid-state batterijen van morgen.

"Kosteneffectieve herbruikbaarheid en recycleerbaarheid moeten worden ingebouwd in de toekomstige vooruitgang die nodig is om volledig solid-state batterijen te ontwikkelen die een hoge energiedichtheid bieden van 500 wattuur per kg of beter, " zei Zheng Chen, professor nano-engineering aan de UC San Diego. "Het is van cruciaal belang dat we niet dezelfde recycleerbaarheidsfouten maken die werden gemaakt met lithium-ionbatterijen."

Batterijen moeten ook worden ontworpen met hun volledige levenscyclus in gedachten. Dit betekent het ontwerpen van batterijen die bedoeld zijn om lang in gebruik te blijven nadat ze onder de 60 tot 80 procent van hun oorspronkelijke capaciteit zijn gedaald, wat vaak het einde van de nuttige levensduur van een batterij betekent. Dit kan worden gedaan door secundaire toepassingen van batterijen te onderzoeken, zoals stationaire opslag of voor noodstroom, hun levensduur verlengen voordat ze uiteindelijk de recyclingcentra bereiken.

All-solid-state batterijen met organische elektrolyten bieden een grote belofte als toekomstige batterijtechnologie die een hoge energiedichtheid zal leveren, veiligheid, lange levensduur en recycleerbaarheid. Maar om deze mogelijkheden in realiteit om te zetten, zijn strategische onderzoeksinspanningen nodig waarin wordt bekeken hoe de resterende uitdagingen, inclusief recyclebaarheid, zijn met elkaar verbonden.