Udvidelse af grænserne for Li-ion-batterier – elektroder til hel-solid-state batterier

Forskere ved Tokyo Institute of Technology har behandlet en af ​​de største ulemper ved hel-solid-state batterier ved at udvikle batterier med en lav modstand ved deres elektrode/fast elektrolyt-grænseflade. De fremstillede batterier udviste fremragende elektrokemiske egenskaber, der i høj grad overgår dem af nu allestedsnærværende Li-ion-batterier, derved demonstrerer løftet om all-solid-state batteriteknologi og dets potentiale til at revolutionere bærbar elektronik.

Mange forbrugere er bekendt med genopladelige lithium-ion-batterier, som har udviklet sig i løbet af de sidste par årtier, og er nu almindelige i alle mulige elektroniske enheder. På trods af deres brede anvendelse, videnskabsmænd og ingeniører mener, at traditionel Li-ion batteriteknologi allerede nærmer sig sit fulde potentiale, og der er behov for nye typer batterier.

All-solid-state batterier er en ny type Li-ion batteri, og har vist sig at være potentielt sikrere og mere stabile energilagringsenheder med højere energitætheder. Imidlertid, brugen af ​​sådanne batterier er begrænset på grund af en stor ulempe - deres modstand ved elektroden/fast elektrolytgrænsefladen er for høj, hindrer hurtig op- og afladning.

Forskere fra Tokyo Institute of Technology og Tohoku University, ledet af professor Taro Hitosugi, fremstillede hel-solid-state batterier med ekstrem lav grænseflademodstand ved hjælp af Li(Ni _0,5 Mn _1.5 )O ₄ (LNMO), ved at fremstille og måle deres batterier under ultrahøjvakuumforhold, at sikre, at elektrolyt/elektrode-grænsefladerne var fri for urenheder.

Strukturen af ​​disse hel-solid-state batterier er vist i figur 1. Efter fremstilling, de elektrokemiske egenskaber af disse batterier blev karakteriseret for at kaste lys over Li-ion-fordelingen omkring grænsefladen. Røntgendiffraktion og Raman-spektroskopi blev brugt til at analysere krystalstrukturen af ​​de tynde film, der omfatter batterierne. Spontan migration af Li-ioner blev fundet at forekomme fra Li ₃ PO ₄ lag til LNMO-laget, konvertere halvdelen af ​​LNMO til L ₂ NMO på Li ₃ PO ₄ /LNMO-grænseflade. Den omvendte migration sker under den indledende opladningsproces for at regenerere LNMO.

Modstanden i denne grænseflade, verificeret ved hjælp af elektrokemisk impedansspektroskopi, var 7,6 Ω cm ² , to størrelsesordener mindre end tidligere LNMO-baserede hel-solid-state batterier, og endnu mindre end væske-elektrolyt-baserede Li-ion-batterier, der bruger LNMO. Disse batterier viste også hurtig op- og afladning, formår at oplade/aflade halvdelen af ​​batteriet på blot et sekund. I øvrigt, cyklerbarheden af ​​batteriet var også fremragende, viser ingen forringelse af ydeevnen selv efter 100 opladnings-/afladningscyklusser (se figur 2).

Li(Ni _0,5 Mn _1.5 )O ₄ er et lovende materiale til at øge energitætheden af ​​et batteri, fordi materialet giver en højere spænding. Forskerholdet håber, at disse resultater vil lette udviklingen af ​​højtydende hel-solid-state batterier, som kunne revolutionere moderne bærbare elektroniske enheder og elbiler.