Solid-state batterijen voor elektrische voertuigen, die een grotere energiedichtheid en actieradius bieden dan hedendaagse lithium-ionbatterijen, blijven buiten bereik, niet in de laatste plaats vanwege de uitdagingen die voortvloeien uit de samenstelling van de kathode van de batterij. Een nieuwe kathodesamenstelling en bijbehorende fabricagetechniek lijkt deze hindernis te overwinnen.

Een paper waarin het productieproces wordt beschreven, verscheen in het tijdschrift Nano Research op 24 maart.

Oplaadbare solid-state batterijen (die volledig solide zijn, zonder vloeibare componenten) worden al lang gezocht als de volgende generatie van energieopslag, niet in de laatste plaats voor elektrische voertuigen en andere klimaatmitigerende toepassingen. Ze zouden lichter en energierijker zijn, een groter bereik bieden en sneller opladen dan de huidige generatie lithium-ionbatterijen.

De vloeibare elektrolyt die in de laatste wordt gebruikt, is het medium waardoor stroom vloeit tussen de positieve en negatieve elektroden (respectievelijk de kathode en anode). Maar de vloeistof maakt de batterij zwaar. Het is ook ontvlambaar en branden zijn geen ongewoon verschijnsel. In een solid-state batterij is een vaste elektrolyt gemaakt van keramiek, glas of een polymeer veel veiliger omdat er geen lekken of spatten zijn tijdens het transport, en biedt een verbeterde vermogensdichtheid, recycleerbaarheid en houdbaarheid.

De sleutel om solid-state batterijen te laten werken, is het ontwerpen van een goede kathode die in staat is tot een hoge bedrijfsspanning en een hoge oppervlaktecapaciteit. De laatste term beschrijft de hoeveelheid energielading in een batterij per oppervlakte-eenheid gedurende een bepaalde tijdsperiode. De eenheid die gewoonlijk wordt gebruikt om deze hoeveelheid te beschrijven, is de milliampère-uur (mAh) - of de hoeveelheid energielading waarmee één ampère stroom een ​​uur lang kan stromen - vergeleken met een bepaalde hoeveelheid oppervlakte (meestal gemeten in vierkante centimeters, of cm ² ). In wezen is deze meting, mAh/cm ² , geeft een indicatie van hoe lang een batterij meegaat zonder hem op te laden, voor de hoeveelheid ruimte die hij inneemt in een apparaat.

"De meeste technologieën voor de fabricage van composietkathoden die tot nu toe zijn onderzocht, resulteren in batterijen die niet eens de prestaties van bestaande commerciële batterijen evenaren, laat staan ​​ze overtreffen, met een bereik van ongeveer 3 mAh/cm ² ", zegt Jizhang Chen van het College of Materials Science and Engineering aan de Nanjing Forestry University en hoofdauteur van het artikel.

Deze kathodetechnologieën hebben ook te lijden onder de noodzaak van de toevoeging van een overmatige hoeveelheid bindmiddelen en geleidende middelen om ervoor te zorgen dat alle actieve deeltjes gelijkmatig worden verspreid. Dit vermindert de dichtheid van de kathode, verhoogt de kosten en produceert ook veel weerstand op het grensvlak van de kathode en de elektrode.

Dus ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe kathodesamenstelling en bijbehorende productietechniek die deze uitdagingen overwint en tegelijkertijd een hoge oppervlaktecapaciteit biedt. De toegevoegde hoeveelheid bindmiddelen en geleidende middelen, in dit geval lithiumhydroxide en boorzuur, wordt aanzienlijk verminderd (tot ongeveer vier procent van het totale gewicht). Deze worden gebruikt als additieven in het sinterproces tijdens kathodevorming.

Sinteren is een methode om een ​​poeder door middel van warmte of druk tot een vaste massa te verdichten zonder het te smelten tot het vloeibaar wordt. In dit geval blijft er echter een vloeibare fase voor ten minste sommige componenten, terwijl andere poeders blijven om de binding tussen deeltjes te versterken.

Het lithiumhydroxide en boorzuur, met hun lage smeltpunten, infiltreren als vloeistoffen in een poeder van een nikkelrijke lithiumverbinding (LiNi_0,8 Mn_0.1 Co_0.1 , of "NMC811") bij een matig verhoogde temperatuur (rond 350℃). Dit maakt niet alleen intiem fysiek contact tussen de poederdeeltjes mogelijk, het vermindert ook de behoefte aan een grote hoeveelheid additieven en bevordert een verdichtingsproces.

De resulterende composietkathode leverde veelbelovende prestaties en bereikte een oppervlaktecapaciteit van meer dan 8 mAh/cm ² binnen een breed spanningsbereik tot 4,4 V. Dit zal naar verwachting worden gebruikt voor de productie van solid-state batterijen met een energiedichtheid van 500 wattuur per kilogram (Wh/kg), waarmee de energie van 100-265 Wh/kg gemakkelijk wordt overtroffen dichtheid die wordt geboden door moderne lithium-ionbatterijen. + Verder verkennen

Ionische vloeistoffen maken een plons in de nieuwe generatie solid-state lithium-metaalbatterijen