Faststof-elektrolyt med lithium-ion-ledningsevne, der kan sammenlignes med flydende elektrolytter

Mange mobile enheder er drevet af lithium-ion-batterier, som kunne være mindre, lettere, sikrere og mere effektive, hvis de flydende elektrolytter, de indeholder, blev erstattet af faste stoffer. En lovende kandidat til en faststofelektrolyt er en ny klasse af materialer baseret på lithiumforbindelser, præsenteret af fysikere fra Schweiz og Polen.

Kommercielt tilgængelige lithium-ion-batterier består af to elektroder forbundet med en flydende elektrolyt. Denne elektrolyt gør det vanskeligt for ingeniører at reducere størrelsen og vægten af ​​batteriet. Derudover de er udsat for lækage; lithiumet i de blotlagte elektroder kommer så i kontakt med ilt i luften og undergår selvantændelse. Dette problem forårsagede fuld grundstødning af Dreamliner-flyvninger, et spektakulært eksempel på de problemer, brugen af ​​moderne lithium-ion-batterier medfører.

Laboratorier har i årevis ledt efter faste materialer, der er i stand til at erstatte flydende elektrolytter. De mest populære kandidater omfatter forbindelser, hvor lithiumioner er omgivet af svovl- eller oxygenioner. Imidlertid, i journalen Avancerede energimaterialer , et schweizisk-polsk hold af forskere har præsenteret en ny klasse af ioniske forbindelser, hvor ladningsbærerne er lithiumioner, der bevæger sig i et miljø af amin- (NH2) og tetrahydroborat- (BH4)-ioner. Den eksperimentelle del af forskningsprojektet blev udført på Empa, de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og -teknologi i Dübendorf, og ved universitetet i Genève (UG), ledet af prof. Zbigniew Lodziana fra Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow.

"Vi havde at gøre med lithiumamid-borhydrid, et stof, der tidligere blev betragtet som en utilstrækkelig ionisk leder. Denne forbindelse fremstilles ved at formale to bestanddele i et forhold på en til tre. Til dato, ingen har nogensinde testet, hvad der sker med ionisk ledningsevne, når proportionerne mellem disse bestanddele ændres. Vi var de første til at gøre det, og det viste sig, at ved at reducere antallet af NH2-grupper til en vis grænse, vi kunne forbedre ledningsevnen betydeligt. Det stiger så meget, at det bliver sammenligneligt med ledningsevnen af ​​flydende elektrolytter, " siger prof. Lodziana.

Dette enorme løft i ionisk ledningsevne åbner op for en ny, uudforsket retning i søgen efter en faststofelektrolyt. Tidligere, fokus var næsten udelukkende på ændringer i sammensætningen af ​​det kemiske stof. Det er nu blevet klart, at på produktionsstadiet af forbindelsen, a proportionerne af de ingredienser, der bruges til at fremstille dem, er nøglen.

"Vores lithiumamid-borhydrid er en repræsentant for en lovende ny klasse af faststofelektrolytmaterialer. det vil vare noget tid, før batterier bygget på sådanne forbindelser kommer i brug. For eksempel, der må ikke forekomme kemiske reaktioner mellem elektrolytten og elektroderne, der fører til deres nedbrydning. Dette problem venter stadig på en optimal løsning, " siger prof. Lodziana.

Forskningsudsigterne er lovende. Forskerne begrænsede sig ikke til blot at karakterisere det nye materiales fysisk-kemiske egenskaber. Forbindelsen blev brugt som en elektrolyt i en typisk Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ halvcelle. Halvcellen klarede sig godt i test af udtømning og genopladning, har vist sig at være stabil over 400 cyklusser. Forskerne har taget lovende skridt i retning af at løse et andet vigtigt problem. Lithiumamid-borhydridet beskrevet i publikationen udviste kun fremragende ionisk ledningsevne ved ca. 40 °C. I de seneste forsøg, denne er allerede sænket til under stuetemperatur.

Teoretisk set, imidlertid, det nye materiale er fortsat en udfordring. Tidligere, forskere har konstrueret modeller for stoffer, hvori lithium-ionerne bevæger sig i et atomart miljø. I det nye materiale, ioner bevæger sig blandt lysmolekyler, der justerer deres orientering for at lette lithiumbevægelsen.

"I den foreslåede model, den fremragende ionkonduktivitet er en konsekvens af den specifikke konstruktion af det testede materiales krystallinske gitter. Dette netværk består faktisk af to undergitter. Det viser sig, at lithium-ionerne kun er til stede her i de elementære celler i ét undergitter. Imidlertid, diffusionsbarrieren mellem undergitterne er lav. Under passende forhold, ionerne rejser således til den anden, tomt undergitter, hvor de kan bevæge sig ganske frit, " forklarer prof. Lodziana.

Dette forklarer kun nogle af de observerede træk ved det nye materiale. De mekanismer, der er ansvarlige for dens høje ledningsevne, er bestemt mere komplekse. Yderligere undersøgelser skulle markant fremskynde søgningen efter optimale forbindelser til en faststofelektrolyt og følgelig forkorte processen med kommercialisering af nye strømkilder, der sandsynligvis vil revolutionere bærbar elektronik.