Lovende elektrolytter til solid-state batterier baseret på viskoelastisk uorganisk glas

Nylige fremskridt i udviklingen af ​​hybrid- og elbiler har øget behovet for højtydende batteriteknologier. Forskerhold verden over har således arbejdet på en lang række alternative batteriløsninger, mens de også har forsøgt at identificere nye lovende elektrolytter til disse batterier.

Batterier, der indeholder faste elektroder og en fast elektrolyt, kendt som solid-state batterier, kunne være en levedygtig alternativ energilagringsløsning til elektriske køretøjer. Men de traditionelle uorganiske keramiske elektrolytter og organiske polymerelektrolytter lider ofte af enten dårlig fleksibilitet eller mekaniske egenskaber, hvilket har en negativ indvirkning på batteriernes ydeevne.

Forskere ved det kinesiske videnskabsakademi har for nylig opdaget nye elektrolytter til solid-state batterier baseret på en klasse af viskoelastisk uorganisk glas (VIGLAS). Deres papir, udgivet i Nature Energy , viser, at disse elektrolytter besidder egenskaber af både uorganiske og organiske elektrolytter og kunne forbedre stabiliteten af ​​faststofbattericeller betydeligt.

"Vi ønskede oprindeligt at finde en uorganisk fast elektrolyt med et lavt smeltepunkt for at forenkle monteringsprocessen af ​​faststofbatteriet i et miljø med lidt forhøjede temperaturer, som ligner flydende Na-ion-batterier," Yong Sheng Hu, en af forskerne, der udførte undersøgelsen, fortalte Tech Xplore.

"Baseret på tidligere forskning om smeltet saltbatteri ved hjælp af LiAlCl₄ /NaAlCl₄ elektrolyt (som har det laveste smeltepunkt i smeltede salte), forsøgte vi at finde nogle metoder til delvist at erstatte Cl-atomer for at forbedre den ioniske ledningsevne i fast tilstand. Endelig fandt vi ud af, at ved at indføre O-atomer for at forglasse det, kunne den ioniske ledningsevne ved stuetemperatur forbedres med tre størrelsesordener, og vi fandt uventet ud af, at den har en viskoelasticitet svarende til den for organiske polymerer."

Hovedformålet med det seneste arbejde af Hu og hans kolleger var at afsløre nye lovende og skalerbare elektrolytter til solid-state batterier. For det første syntetiserede forskerne deres VIGLAS-baserede faste elektrolytter, som er baseret på materialet MAlCl_4-2x O_x (MACO, M=Li, Na, 0,5

"VIGLAS-materialer har høj ionisk ledningsevne (~1 mS cm ^-1 ved 30°C) for både Li ⁺ og Na ⁺ , overlegen kemo-mekanisk kompatibilitet med 4,3 V katoder, samt evnen til at muliggøre trykløse Li- og Na-baserede solid state-batterier (<0,1 MPa)," forklarede Hu. "Den lave smeltetemperatur (<160°C)-funktionen gør det muligt for elektrolytterne effektivt at infiltrere elektrodematerialer, der ligner et flydende batteri. Derudover letter deformerbarheden af ​​elektrolytter muligheden for opskalering gennem produktion af tynde film via en rulleproces."

Klassen af ​​uorganisk glas identificeret af dette team af forskere har en unik kombination af uorganisk-lignende egenskaber, herunder høj ionisk ledningsevne, stærk oxidativ modstand og polymer-lignende fleksible egenskaber, der muliggør kompatibilitet med udbredte katoder. I indledende test opnåede elektrolytter baseret på dette glas meget lovende resultater, idet de infiltrerede elektrodematerialer såvel som flydende elektrolytter.

Navnlig kunne holdets elektrolytter også være nemme at skalere op og kunne fremstilles ved hjælp af eksisterende fremstillingsprocesser. Da de er baseret på deformerbare materialer, kan de fremstilles i stor skala gennem simple valseprocesser.

"Vi demonstrerer, at der ikke er nogen åbenlys grænse mellem organiske polymerelektrolytter og uorganiske elektrolytter," tilføjede Hu. "De uorganiske elektrolytter kan også have de polymerlignende mekaniske egenskaber, som muliggør de trykløse Li- og Na-baserede faststofceller. I vores næste undersøgelser planlægger vi at udforske nogle andre lignende VIGLAS-elektrolytter med Li/Na- metalanodestabilitet."

Flere oplysninger: Tao Dai et al., Uorganiske glaselektrolytter med polymer-lignende viskoelasticitet, Nature Energy (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01356-y

Journaloplysninger: Naturenergi

© 2023 Science X Network