Forskere rapporterer højtydende solid-state natrium-ion batteri

Solid-state natrium-ion-batterier er langt sikrere end konventionelle lithium-ion-batterier, som udgør en risiko for brand og eksplosioner, men deres ydeevne har været for svag til at opveje sikkerhedsfordelene. Forskere rapporterede fredag, at de udviklede en organisk katode, der dramatisk forbedrer både stabilitet og energitæthed.

Den forbedrede ydeevne, rapporteret i journalen Joule , er relateret til to nøglefund:

• Den resistive grænseflade mellem elektrolytten og katoden, der almindeligvis dannes under cykling, kan vendes, forlænge cyklus levetid, og
• Fleksibiliteten af ​​den organiske katode gjorde det muligt for den at opretholde intim kontakt ved grænsefladen med den faste elektrolyt, selvom katoden udvidede sig og trak sig sammen under cykling.

Yan Yao, lektor i elektro- og computerteknik ved University of Houston og tilsvarende forfatter til papiret, sagde den organiske katode - kendt som PTO, for pyren-4, 5, 9, 10-tetraon - giver unikke fordele i forhold til tidligere uorganiske katoder. Men han sagde, at de underliggende principper er lige vigtige.

"Vi fandt for første gang, at den resistive grænseflade, der dannes mellem katoden og elektrolytten, kan vendes, " sagde Yao. "Det kan bidrage til stabilitet og længere cykluslevetid." Yao er også hovedforsker ved Texas Center for Superledning ved UH. Hans forskningsgruppe fokuserer på grønne og bæredygtige organiske materialer til energiproduktion og -lagring.

Yanliang "Leonard" Liang, en forskningsassistent ved UH Institut for Elektro- og Computerteknik, sagde, at reversibilitet af grænsefladen er nøglen, giver solid state-batteriet mulighed for at nå en højere energitæthed uden at ofre cykluslevetiden. Normalt, et solid-state batteris evne til at lagre energi standses, når den resistive katode-elektrolytgrænseflade dannes; at vende den modstand tillader energitætheden at forblive høj under cykling, han sagde.

Lithium-ion-batterier med deres flydende elektrolytter er i stand til at lagre relativt store mængder energi og bruges almindeligvis til at drive det moderne livs værktøjer, fra mobiltelefoner til høreapparater. Men risikoen for brand og eksplosion har øget interessen for andre typer batterier, og et solid-state natrium-ion batteri giver løftet om øget sikkerhed til en lavere pris.

Xiaowei Chi, en post-doc forsker i Yaos gruppe, sagde, at en vigtig udfordring havde været at finde en fast elektrolyt, der er lige så ledende som de flydende elektrolytter, der bruges i lithium-ion-batterier. Nu hvor tilstrækkeligt ledende faste elektrolytter er tilgængelige, en tilbageværende udfordring har været de solide grænseflader.

Et problem rejst af en solid elektrolyt:elektrolytten kæmper for at opretholde intim kontakt med en traditionel stiv katode, da sidstnævnte udvider sig og trækker sig sammen under battericykling. Fang Hao, en ph.d. studerende, der arbejder i Yaos gruppe, sagde den organiske katode er mere bøjelig og dermed i stand til at forblive i kontakt med grænsefladen, forbedre cykellivet. Forskerne sagde, at kontakten forblev stabil gennem mindst 200 cyklusser.

"Hvis du har pålidelig kontakt mellem elektroden og elektrolytten, du vil have en stor chance for at skabe et højtydende solid-state batteri, " sagde Hao.