Strækbare plastelektrolytter kan muliggøre et nyt lithium-ion batteridesign

Den stigende popularitet af lithium-ion-batterier i de seneste år har belastet verdens forsyning af kobolt og nikkel-to metaller, der er integreret i det nuværende batteridesign-og ført til stigende priser.

I et forsøg på at udvikle alternative designs til litiumbaserede batterier med mindre afhængighed af disse knappe metaller, forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet et lovende nyt katode- og elektrolytsystem, der erstatter dyre metaller og traditionel flydende elektrolyt med overgangsmetalfluorider til lavere omkostninger og en fast polymerelektrolyt.

"Elektroder fremstillet af overgangsmetalfluorider har længe vist stabilitetsproblemer og hurtigt svigt, hvilket fører til betydelig skepsis over deres evne til at blive brugt i næste generations batterier, "sagde Gleb Yushin, en professor i Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Men vi har vist, at når de bruges med en fast polymerelektrolyt, metalfluoriderne viser bemærkelsesværdig stabilitet - selv ved højere temperaturer - hvilket i sidste ende kan føre til sikrere, lettere og billigere lithium-ion-batterier. "

I et typisk lithium-ion batteri, energi frigives under overførsel af lithiumioner mellem to elektroder - en anode og en katode, med en katode, der typisk omfatter lithium og overgangsmetaller, såsom kobolt, nikkel og mangan. Ionerne flyder mellem elektroderne gennem en flydende elektrolyt.

Til undersøgelsen, som blev offentliggjort 9. september i tidsskriftet Naturmaterialer og sponsoreret af Army Research Office, forskergruppen fremstillede en ny type katode af jernfluoridaktivt materiale og en fast polymerelektrolyt -nanokomposit. Jernfluorider har mere end det dobbelte af lithiumkapaciteten af ​​traditionelle kobolt- eller nikkelbaserede katoder. Ud over, jern er 300 gange billigere end kobolt og 150 gange billigere end nikkel.

For at producere en sådan katode, forskerne udviklede en proces til infiltrering af en fast polymerelektrolyt i den præfabrikerede jernfluoridelektrode. De varmpressede derefter hele strukturen for at øge densiteten og reducere eventuelle hulrum.

To centrale træk ved den polymerbaserede elektrolyt er dens evne til at bøje og rumme hævelse af jernfluoridet under cykling og dets evne til at danne en meget stabil og fleksibel interfase med jernfluorid. Traditionelt set at hævelse og massive sidereaktioner har været nøgleproblemer ved brug af jernfluorid i tidligere batteridesign.

"Katoder fremstillet af jernfluorid har et enormt potentiale på grund af deres høje kapacitet, lave materialeomkostninger og meget bred tilgængelighed af jern, "Sagde Yushin." Men volumenændringerne under cykling samt parasitiske sidreaktioner med flydende elektrolytter og andre nedbrydningsproblemer har tidligere begrænset deres anvendelse. Brug af en fast elektrolyt med elastiske egenskaber løser mange af disse problemer. "

Forskerne testede derefter flere variationer af de nye solid-state batterier for at analysere deres ydeevne over mere end 300 cykler med opladning og afladning ved forhøjet temperatur på 122 grader Fahrenheit, bemærker, at de overgik tidligere design ved hjælp af metalfluorid, selv når disse blev holdt kølige ved stuetemperatur.

Forskerne fandt ud af, at nøglen til den forbedrede batteriydelse var den solide polymerelektrolyt. I tidligere forsøg på at bruge metalfluorider, det blev antaget, at metalioner vandrede til katodens overflade og til sidst opløses i den flydende elektrolyt, forårsager kapacitetstab, især ved forhøjede temperaturer. Ud over, metalfluorider katalyserede massiv nedbrydning af flydende elektrolytter, når celler arbejdede over 100 grader Fahrenheit. Imidlertid, ved forbindelsen mellem den faste elektrolyt og katoden, sådan opløsning finder ikke sted, og den faste elektrolyt forbliver bemærkelsesværdigt stabil, forhindre sådanne forringelser, forskerne skrev.

"Polymerelektrolytten, vi brugte, var meget almindelig, men mange andre solide elektrolytter og andre batteri- eller elektrodearkitekturer-såsom kerneskallpartikelmorfologier-burde på samme måde dramatisk kunne afbøde eller endda fuldstændigt forhindre parasitiske sidereaktioner og opnå stabile ydeevneegenskaber, "sagde Kostiantyn Turcheniuk, forsker i Yushins laboratorium og medforfatter til manuskriptet.

I fremtiden, forskerne sigter mod at udvikle nye og forbedrede faste elektrolytter for at muliggøre hurtig opladning og også at kombinere faste og flydende elektrolytter i nye designs, der er fuldt kompatible med konventionelle cellefremstillingsteknologier, der anvendes på store batterifabrikker.