Opdagelse giver mulighed for sikrere genopladelige solid-state-natriumbatterier

Et sikrere, grønnere og billigere genopladeligt batteri til at drive elbiler, mobiltelefoner og mange andre applikationer kunne være et skridt nærmere efter en banebrydende opdagelse fra NUS-forskere.

Holdet ledet af adjunkt Pieremanuele (Piero) Canepa (afdelingen for materialevidenskab og teknik ved NUS College of Design and Engineering) har identificeret en ny natriumion-baseret fast elektrolytsammensætning, der kan muliggøre ultrahurtig batteriopladning og -afladning.

Deres forskning blev for nylig offentliggjort i Nature Communications .

"Konventionelle og meget brugte lithium-ion-batterier er plaget af sikkerhedsproblemer, især på grund af den høje brændbarhed af de flydende elektrolytter, de indeholder," sagde Asst Prof Canepa.

"Udfordringen har været at finde sikrere solid state-alternativer, der kan konkurrere med hensyn til opladningshastighed, levetid og potentielt ladekapacitet."

Sikkere batterier med høj kapacitet

Brugen af ​​ikke-brændbare keramiske materialer - kendt som faste elektrolytter - til at skabe et fuldt solid-state batteri er blevet set af forskere som den bedste mulighed for at levere sikrere batterier med høj kapacitet, der er nødvendige for at opfylde energikravene i en fremtid med lavt kulstofindhold.

Vanskeligheden har været at udvikle den rigtige sammensætning af keramisk materiale, der kan levere ydeevne, der konkurrerer med brændbare flydende elektrolytter fra kommercielle lithium-ion-batterier.

Den nye faststofsammensætning udviklet af NUS-teamet bruger en klasse af faste elektrolytter kendt som NASICON'er (eller Natrium Super Ionic Conductors), som først blev opdaget for omkring fire årtier siden af ​​Hong og Goodenough - 2019 Nobelpristageren i kemi.

Ud over at det er mere sikkert, har batteriet ved at bruge natrium frem for lithium den ekstra fordel, at det er billigere og nemmere at producere.

"Det meste af verdens lithium, som er et ret sjældent grundstof i sig selv, kommer fra nogle få steder - primært Chile, Bolivia og Australien," sagde Asst Prof Canepa. "At bruge et batteri, der er afhængig af natrium, er dog meget mere effektivt, da natrium kan udvindes nemt og endda rent - selv på et lille sted som her i Singapore."

Avanceret tilgang

Opdagelsen af ​​Asst Prof Canepas team blev gjort ved hjælp af en bottom-up tilgang, der involverede først at udvikle en teoretisk atomskala model af den NASICON keramiske sammensætning ved hjælp af høj-powered supercomputere og nye algoritmer udviklet af det samme team.

Den designede komposition blev derefter eksperimentelt syntetiseret, karakteriseret og testet af holdet af professor Masquelier ved CNRS Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, i Amiens, Frankrig. Hastigheden af ​​ionbevægelse i den nye NASICON-sammensætning blev derefter målt ved NUS og ved Institut for Energi- og Klimaforskning i Jülich, Tyskland.

"Den metode, vi brugte, gør det muligt for forskere at accelerere udviklingen og optimeringen af ​​nye faste elektrolytter til faststofbatterier, som er afgørende for at opnå sikrere batterier med høj effekttæthed," sagde professor Canepa.

"Denne avancerede tilgang, tror vi, vil være afgørende for at udvikle den næste generation af teknologier til lagring af ren energi."

Den næste fase af forskningen, som holdet nu arbejder på, vil fokusere på at udvikle et solidt batteri i fuld størrelse ved hjælp af NASICON-keramikken og demonstrere dets opladnings- og afladningsydelse.

Asst Prof Canepa leder Canepa Research Laboratory på NUS, som udnytter kraften fra supercomputere og avancerede simuleringsalgoritmer til at skubbe grænserne i transformation og opbevaring af ren energi.

Canepa Lab-forskning om hel-solid-state-batterier

I en relateret undersøgelse undersøgte forskere ved Canepa Lab en af ​​nøgleudfordringerne i udviklingen af ​​faststofbatterier:grænsefladen mellem alkalimetalanoden og den faste elektrolyt, som ofte er ustabil og en kilde til batterisvigt .

Stabiliteten af ​​denne grænseflade afhænger af egenskaberne af det kemisk adskilte mellemlag, der dannes ved grænsen, kendt som den faste elektrolyt-interfase.

I deres undersøgelse, for nylig offentliggjort i tidsskriftet PRX Energy , holdet ledet af forskningsstipendiaten Yuheng Li, studerede batterigrænsefladen mellem en lithium-metalanode og en velkendt fast elektrolyt, hvor der dannes en selvbegrænsende og stabil interfase.

For at forstå oprindelsen af ​​denne stabilitet brugte forfatterne simuleringer i atomskala til at modellere interfasens elektroniske ledningsevne. De fandt ud af, at interfasen er elektronisk isolerende og dermed stopper progressiv dannelse af sig selv og stabiliserer grænsefladen.

Holdet siger, at deres resultater giver designretningslinjer for stabile batterigrænseflader, der hjælper med at fremskynde kommercialiseringen af ​​sikre og højtydende all-solid-state batterier. + Udforsk yderligere

Ny vej til næste generation af polymerbaseret batteridesign