Opladning fremad til batterier med højere energi

Forskere har udviklet en ny måde at forbedre lithium-ion-batteriets effektivitet. Gennem væksten af ​​et kubisk krystallag, forskerne har skabt en tynd, tæt forbindelseslag mellem batteriets elektroder. Professor Nobuyuki Zettsu og professor Katsuya Teshima ledede forskningen. Forfatterne offentliggjorde deres resultater i Videnskabelige rapporter .

"På grund af nogle iboende egenskaber ved flydende elektrolytter, såsom lavt lithium transportantal, kompleks reaktion ved faststof/væske-grænsefladen, og termisk ustabilitet, det har ikke været muligt samtidigt at opnå høj energi og effekt i nogen af ​​de nuværende elektrokemiske enheder, " sagde Nobuyuki Zettsu, som første forfatter på papiret.

Lithium-ion-batterier er genopladelige og driver enheder som mobiltelefoner, bærbare computere, elværktøj, og endda lagre strøm til elnettet. De er særligt følsomme over for temperatursvingninger, og har været kendt for at forårsage brande eller endda eksplosioner. Som svar på problemerne med flydende elektrolytter, forskere arbejder på at udvikle et bedre hel-solid-state batteri uden væske.

"På trods af de forventede fordele ved hel-solid-state batterier, deres effektkarakteristik og energitæthed skal forbedres for at tillade deres anvendelse i teknologier som langrækkende elektriske køretøjer, " sagde Zettsu. "Den lave hastighedskapacitet og lave energitætheder af all-solid-state batterier skyldes til dels en mangel på egnede solid-solid heterogene grænsefladedannelsesteknologier, der udviser høj ikonisk ledningsevne sammenlignelig med flydende elektrolytsystemer."

Zettsu og hans team dyrkede faste elektrolytkrystaller af granat-type oxid i smeltet LiOH, der blev brugt som opløsningsmiddel (flux) på et substrat, der bandt elektroden til en fast tilstand, mens de voksede. En specifik krystalforbindelse kendt for at vokse kubisk tillod forskerne at kontrollere tykkelsen og forbindelsesområdet i laget, som fungerer som en keramisk separator.

"Electronmikroskopi-observationer afslørede, at overfladen er tæt dækket med veldefinerede polyedriske krystaller. Hver krystal er forbundet med nabokrystaller, " skrev Zettsu.

Zettsu sagde også, at det nyudviklede krystallag kunne være den ideelle keramiske separator, når elektrolytlaget stables på elektrodelaget.

"Vi mener, at vores tilgang med robusthed over for sidereaktioner ved grænsefladen muligvis kan føre til produktion af ideelle keramiske separatorer med en tynd og tæt grænseflade, " skrev Zettsu, bemærker, at den keramik, der blev brugt i dette særlige eksperiment, var for tyk til at blive brugt i solide batterier. "Imidlertid, så længe elektrodelaget kan laves så tyndt som 100 mikron, stablelaget vil fungere som et solidt batteri."

Et hundrede mikron er omtrent bredden af ​​et menneskehår, og lidt mindre end det dobbelte af tykkelsen af ​​et standard elektrodelag i moderne lithium-ion-batterier. "All-solid-state batterier er lovende kandidater til energilagringsenheder, " Zettsu sagde, bemærker, at adskillige samarbejder mellem forskere og private virksomheder allerede er i gang med det ultimative mål at vise alle-solid-state batteriprøver ved de olympiske lege i 2020 i Tokyo.

Zettsu og andre forskere planlægger at fremstille prototypeceller til brug i elektriske køretøjer og til bærbare enheder inden 2022.