Ny forskning viser, at den højeste energitæthed af alle solid-state-batterier nu er mulig

Forskere fra Tohoku University og High Energy Accelerator Research Organisation har udviklet en ny kompleks lithium superionisk leder af hydrid, der kan resultere i fuld-solid-state batterier med den højeste energitæthed til dato. Forskerne siger, at det nye materiale, opnået ved at designe strukturer af brintklynger (komplekse anioner), viser markant høj stabilitet mod lithiummetal, hvilket ville gøre det til det ultimative anodemateriale til alle solid-state batterier.

Alle solid-state-batterier, der indeholder en lithium-metalanode, har potentiale til at løse energitæthedsproblemerne ved konventionelle lithium-ion-batterier. Men indtil nu, deres anvendelse i praktiske celler har været begrænset af den høje lithiumionoverførselsresistens, hovedsageligt forårsaget af ustabiliteten af ​​den faste elektrolyt mod lithiummetal. Denne nye solide elektrolyt, der udviser høj ionisk ledningsevne og høj stabilitet mod lithiummetal, repræsenterer derfor et reelt gennembrud for alle solid-state-batterier, der bruger en litiummetalanode.

"Vi forventer, at denne udvikling ikke kun vil inspirere fremtidige bestræbelser på at finde lithium -superioniske ledere baseret på komplekse hydrider, men også åbne op for en ny trend inden for solide elektrolytmaterialer, der kan føre til udvikling af elektrokemiske enheder med høj energi-densitet, "sagde Sangryun Kim fra Shin-ichi Orimos forskningsgruppe ved Tohoku University.

Baggrund:

All-solid-state batterier er lovende kandidater til at løse de iboende ulemper ved nuværende lithium-ion-batterier, såsom elektrolytlækage, antændelighed og begrænset energitæthed. Litiummetal menes bredt at være det ultimative anodemateriale til alle solid-state batterier, fordi det har den højeste teoretiske kapacitet (3860 mAh g ^-1 ) og det laveste potentiale (-3,04 V mod standard hydrogenelektrode) blandt kendte anodematerialer.

Litiumionledende faste elektrolytter er en nøglekomponent i alle solid-state-batterier, fordi den ioniske ledningsevne og stabilitet af den faste elektrolyt bestemmer batteriets ydeevne. Problemet er, at de fleste eksisterende faste elektrolytter har kemisk/elektrokemisk ustabilitet og/eller dårlig fysisk kontakt mod lithiummetal, uundgåeligt forårsager uønskede sidereaktioner ved grænsefladen. Disse sidereaktioner resulterer i en stigning i grænseflade -resistens, stærkt forringende batteriydelse under gentagen cykling.

Som afsløret af tidligere undersøgelser, som foreslog strategier såsom legering af litiummetal og grænsefladeændring, denne nedbrydningsproces er meget vanskelig at tackle, fordi dens oprindelse er den høje termodynamiske reaktivitet af lithiummetalanoden med elektrolytten. De største udfordringer ved at bruge lithiummetalanoden er høj stabilitet og høj lithiumionledningsevne for den faste elektrolyt.

"Komplekse hydrider har modtaget stor opmærksomhed ved at løse problemerne forbundet med litiummetalanoden på grund af deres enestående kemiske og elektrokemiske stabilitet mod lithiummetalanoden, "sagde Kim." Men på grund af deres lave ioniske ledningsevne, brug af komplekse hydrider med litiummetalanoden har aldrig været forsøgt i praktiske batterier. Så vi var meget motiverede for at se, om udvikling af komplekst hydrid, der udviser litiumsuperionisk ledningsevne ved stuetemperatur, kan muliggøre brugen af ​​litiummetalanode. Og det virkede. "