Enkel metode til keramisk-baserede fleksible elektrolytplader til lithiummetalbatterier

Forskere ved Tokyo Metropolitan University har udviklet en ny metode til at lave keramisk-baserede fleksible elektrolytplader til lithiummetalbatterier. De kombinerede en granat-type keramik, et polymerbindemiddel og en ionisk væske, fremstilling af en kvasi-faststof-pladeelektrolyt. Syntesen udføres ved stuetemperatur, kræver væsentligt mindre energi end eksisterende højtemperatur (> 1000°C) processer. Den fungerer over et bredt temperaturområde, hvilket gør det til en lovende elektrolyt til batterier, f.eks. i elbiler.

Fossile brændstoffer står for det meste af verdens energibehov, inklusive el. Men fossile brændstoffer er ved at løbe tør, og afbrænding af dem fører også til direkte udledning af kuldioxid og andre forurenende stoffer som giftige nitrogenoxider til atmosfæren. Der er en global efterspørgsel efter at skifte til renere vedvarende energikilder. Men store kilder til vedvarende energi som vind- og solenergi er ofte intermitterende - vinden blæser ikke hele tiden, og solen skinner ikke om natten. Avancerede energilagringssystemer er derfor nødvendige for at bruge vedvarende, intermitterende kilder mere effektivt. Lithium-ion-batterier har haft en dyb indvirkning på det moderne samfund, har forsynet en bred vifte af bærbar elektronik og apparater som trådløse støvsugere siden deres kommercialisering af Sony i 1991. Men brugen af ​​disse batterier i elektriske køretøjer (EV'er) kræver stadig en væsentlig forbedring af kapaciteten og sikkerheden af ​​det avancerede Li -ion ​​teknologi.

Dette har ført til en renæssance af forskningsinteresse for lithiummetalbatterier:Lithiummetalanoder har en meget højere teoretisk kapacitet end grafitanoderne i kommerciel brug nu. Der er stadig teknologiske forhindringer forbundet med lithiummetalanoder. I væskebaserede batterier, for eksempel, lithiumdendritter (eller arme) kan vokse, hvilket kan kortslutte batteriet og endda føre til brande og eksplosioner. Det er her, uorganiske elektrolytter i fast tilstand er kommet ind:de er betydeligt sikrere, og en granat-type (strukturtype) keramisk Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ , bedre kendt som LLZO, er nu bredt anset for at være et lovende solid-state elektrolytmateriale for dets høje ioniske ledningsevne og kompatibilitet med Li metal. Imidlertid, fremstilling af LLZO-elektrolytter med høj densitet kræver meget høje sintringstemperaturer, helt op til 1200 °C. Dette er både energiineffektivt og tidskrævende, gør storskalaproduktion af LLZO-elektrolytter vanskelig. Ud over, den dårlige fysiske kontakt mellem sprøde LLZO-elektrolytter og elektrodematerialerne resulterer normalt i høj grænseflademodstand, i høj grad begrænser deres anvendelse i hel-solid-state Li-metal batterier.

Dermed, et team ledet af professor Kiyoshi Kanamura ved Tokyo Metropolitan University satte sig for at udvikle en fleksibel komposit LLZO-pladeelektrolyt, som kan fremstilles ved stuetemperatur. De støber en LLZO keramisk opslæmning på et tyndt polymersubstrat, som at smøre smør på toast. Efter tørring i en vakuumovn, den 75 mikron tykke pladeelektrolyt blev gennemblødt i en ionisk væske (IL) for at forbedre dens ioniske ledningsevne. IL'er er salte, der er flydende ved stuetemperatur, kendt for at være stærkt ledende, samtidig med at den er næsten ikke-brændbar og ikke-flygtig. Inde i lagnerne, IL udfyldte med succes de mikroskopiske huller i strukturen og slog bro over LLZO-partiklerne, danner en effektiv vej for Li-ioner. De reducerede også effektivt grænseflademodstanden ved katoden. Ved nærmere undersøgelse, de fandt ud af, at Li-ioner diffunderede gennem både IL- og LLZO-partiklerne i strukturen, fremhæver begges rolle. Syntesen er enkel og velegnet til industriel produktion:Hele processen udføres ved stuetemperatur uden behov for højtemperatursintring.

Selvom der stadig er udfordringer, holdet siger, at den mekaniske robusthed og funktionalitet af den fleksible kompositplade ved en lang række temperaturer gør den til en lovende elektrolyt til Li-metal-batterier. Enkelheden af ​​denne nye syntesemetode kan betyde, at vi vil se højkapacitets lithiummetalbatterier på markedet hurtigere, end vi tror.