Undersøgelse:Ny opløsningsmiddelfri, enkelt lithium-ion-ledende kovalent organisk skelet

En nylig undersøgelse, tilknyttet Sydkoreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har demonstreret ny opløsningsmiddelfri, enkelt lithium-ion ledende COF.

Et solid state-batteri betragtes som et sikkert batteri, der ikke eksploderer. Det er en form for at styrke sikkerheden ved at bruge en fast elektrolyt i stedet for en flydende elektrolyt, der klæber til ild. Som sådan, ydeevnen af ​​faste elektrolytter er vigtig, og der er for nylig blevet udviklet nye konceptmaterialer, som i høj grad vil forbedre dens ydeevne.

Dette gennembrud er blevet ledet i fællesskab af professor Sang-Young Lee og professor Sang Kyu Kwak fra School of Energy and Chemical Engineering ved UNIST. I dette studie, holdet demonstrerede et nyt koncept, nemlig "Solid ion conductor", som selektivt bevæger lithiumioner gennem ionkanaler, som strækninger af motorveje. Fordi de er solide og i stand til effektivt at overføre kun lithiumioner, det forventes at blive brugt som kildemateriale til næste generations batteri, såsom højspændingsbatteri eller lithiummetalbatteri.

De nuværende lithium-ion-batterier bruger meget brandfarlige flydende elektrolytter, er således sårbare over for brand eller eksplosion. Som et alternativ, en fast elektrolyt er under udvikling, men ionledningen er lavere end den flydende elektrolyts. I særdeleshed, mange af de faste elektrolytter, der er rapporteret til dato, har begrænsninger i at forbedre batteriets ydeevne, fordi ioner migrerer langs en bugtende og kompliceret vej.

Professor Lee har gjort forskellige anstrengelser for at løse dette problem, ved at bruge porøse krystallinske materialer, såsom kovalente organiske rammer (COF'er), som ionledere. Inde i dette materiale, der er regelmæssigt arrangerede passager, som er designet til kun at gå med lithium-ioner, dramatisk forbedring af ionledningsevnen.

"Den nyudviklede ionleder er en fast fase, som slet ikke bruger væske, " siger Dr. Kihun Jeong fra School of Energy and Chemical Engineering ved UNIST, den første forfatter til denne undersøgelse. "Dette realiserer også solid-state single lithium-ion ledningsadfærd."

Enkelt lithium-ion ledningsadfærd refererer til en ideel situation, hvor kun lithium-ioner overføres gennem en elektrolyt. Da lithiumioner er positive ioner, det er almindeligt at flytte de negative ioner sammen. En sådan unødvendig migration af anionen forårsager en uønsket sidereaktion på elektrodeoverfladen, og derved sænke batteriets ydeevne.

I dette studie, organiske skeletstrukturer blev syntetiseret ved hjælp af anioniske monomerer, der er parret med lithiumioner. Anioner er fikseret som en del af stien, gennem hvilken lithiumioner passerer. Som resultat, en ideel strømning blev realiseret, der flyttede til passagen af ​​den kun lithium-ion-struktur. Forskerne identificerede teoretisk brugen af ​​beregningskemi, hvor lithiumioner migrerer langs oxygenatomerne, der regelmæssigt er opstillet i ionlederpassagerne.

"Denne undersøgelse præsenterer en ny retning for design af solide ionledere, lægger grundlaget for udviklingen af ​​højtydende faste elektrolytter, som er afgørende for kommercialiseringen af ​​næste generations batterier, herunder alle solid state-batterier, " siger professor Lee. "Isærligt, lithium-ioner kan leveres selektivt og effektivt, mens det organiske opløsningsmiddel, der kan forårsage en eksplosion, fuldstændigt elimineres."

Han tilføjer, "Egenskaberne af disse ioniske ledere er ikke kun egnede som elektrolyt til alle faststofceller, men de kan også anvendes på meget reaktive lithiummetalelektroder, som kan bruges til lithiummetalbatterier, som tiltrækker opmærksomhed som højenergibatterier."