Veje til at realisere løftet om hel-solid-state batterier

Når det kommer til batterier, der er altid områder til forbedring:kapløbet er i gang med at udvikle batterier, der er billigere, sikrere, længerevarende, mere energitæt, og let genanvendelig.

I en anmeldelsesartikel offentliggjort i marts 2020-udgaven af Natur nanoteknologi , nanoingeniører ved University of California San Diego tilbyder en forskningskøreplan, der omfatter fire udfordringer, der skal løses for at fremme en lovende klasse af batterier - helt i fast tilstand - til kommercialisering. Denne artikel opsummerer teamets arbejde med at tackle disse udfordringer i løbet af de sidste tre år, som er blevet rapporteret i flere peer-reviewede artikler publiceret i forskellige tidsskrifter.

I modsætning til nutidens genopladelige lithium -ion -batterier, som indeholder flydende elektrolytter, der ofte er brandfarlige, batterier med faste elektrolytter giver mulighed for større sikkerhed, ud over en lang række fordele, herunder højere energitæthed.

I den Natur nanoteknologi anmeldelsesartikel, forskerne fokuserer på uorganiske faste elektrolytter såsom keramiske oxider eller sulfidglas. Uorganiske faste elektrolytter er en relativt ny klasse af faste elektrolytter til faststofbatterier (i modsætning til organiske faste elektrolytter, som er mere omfattende undersøgt.)

Køreplan:uorganiske elektrolytter til hel-solid-state batterier

Det følgende er en oversigt over den køreplan, som forskerne beskriver i deres oversigtsartikel:

1. Oprettelse af stabile faste elektrolytkemiske grænseflader
2. Nye værktøjer til i operando diagnose og karakterisering
3. Skalerbar og omkostningseffektiv fremstillingsevne
4. Batterier designet til genbrug

"Det er afgørende, at vi træder tilbage og tænker over, hvordan vi kan tackle disse udfordringer samtidigt, fordi de alle er indbyrdes forbundne, " sagde Shirley Meng, en nanoingeniørprofessor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Hvis vi skal leve op til løftet om hel-solid-state batterier, vi skal finde løsninger, der løser alle disse udfordringer på samme tid."

Som direktør for UC San Diego Sustainable Power and Energy Center og direktør for UC San Diego Institute for Materials Discovery and Design, Meng er et centralt medlem af en klynge af forskere i spidsen for al solid-state batteri forskning og udvikling ved UC San Diego.

Oprettelse af stabile faste elektrolytkemiske grænseflader

Solid-state elektrolytter er kommet langt siden deres tidlige dage, da de første opdagede elektrolytter havde udvist ledningsevneværdier for lave til praktiske anvendelser. Nutidens avancerede faststofelektrolytter udviser ledningsevner, der overstiger selv dem for konventionelle flydende elektrolytter, der bruges i nutidens batterier (større end 10 mS cm ^-1 ). Ionisk ledningsevne refererer til, hvor hurtigt lithiumioner kan bevæge sig i elektrolytten.

Desværre, de fleste stærkt ledende faste elektrolytter, der er rapporteret, er ofte elektrokemisk ustabile og står over for problemer, når de påføres mod elektrodematerialer, der bruges i batterier.

"På dette tidspunkt, vi bør flytte vores fokus væk fra at jagte højere ionisk ledningsevne. I stedet, vi bør fokusere på stabilitet mellem faststofelektrolytter og elektroder, " sagde Meng.

Hvis ionisk ledningsevne er analog med, hvor hurtigt en bil kan køres, så refererer grænsefladestabilitet til, hvor svært det er at komme igennem myldretidstrafikken. Det er lige meget, hvor hurtigt din bil kan køre, hvis du sidder fast i trafikken på vej til arbejde.

Forskere ved UC San Diego adresserede for nylig denne grænsefladestabilitetsflaskehals, demonstrerer, hvordan man stabiliserer elektrode-elektrolyt-grænsefladen og forbedrer batteriets ydeevne ved hjælp af faste elektrolytter med moderate ioniske ledningsevner, men udviser stabile grænseflader.

Nye værktøjer til i operando diagnose og karakterisering

Hvorfor svigter batterier? Hvorfor opstår der kortslutning? Processen med at forstå, hvad der foregår inde i et batteri, kræver karakterisering ned til nanoskalaen, ideelt set i realtid. For hel-solid-state batterier, dette er enormt udfordrende.

Batterikarakterisering er typisk afhængig af brug af prober såsom røntgenstråler, eller elektron- eller optisk mikroskopi. I kommercielle lithium-ion-batterier, de anvendte flydende elektrolytter er gennemsigtige, muliggør observation af forskellige fænomener ved de respektive elektroder. I nogle tilfælde, denne væske kan også vaskes væk for at give en renere overflade til karakterisering med højere opløsning.

"Vi har meget nemmere ved at observere nutidens lithium-ion-batterier. Men i hel-solid-state batterier, alt er solidt eller begravet. Hvis du prøver de samme teknikker for alle solid-state-batterier, det er som at prøve at se gennem en mur, " sagde Darren H. S. Tan, en nanoingeniør Ph.D. kandidat ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Ud over, faste elektrolytter og lithiummetal, der bruges i solid-state batterier, kan være følsomme over for elektronstråleskader. Dette betyder, at standard elektronmikroskopiteknikker, der bruges til at studere batterier, ville beskadige de interessante materialer, før de kan observeres og karakteriseres.

En måde, hvorpå UC San Diego-forskere overvinder disse udfordringer, er at bruge kryogene metoder til at holde batterimaterialer kølige, afbøde deres nedbrydning under elektronmikroskopsonden.

Et andet værktøj, der bruges til at overvinde forhindringerne ved at karakterisere faste elektrolytgrænseflader, er røntgentomografi. Dette svarer til, hvad mennesker gennemgår under deres sundhedstjek. Fremgangsmåden blev brugt i et nyligt papir, der rapporterede om observation - uden at åbne eller afbryde selve batteriet - af lithiumdendritter begravet i den faste elektrolyt.

Skalerbar og omkostningseffektiv fremstillingsevne

Gennembrud inden for batteriforskning betyder ofte ikke meget, hvis de ikke er skalerbare. Dette inkluderer fremskridt for all-solid-state batterier. Hvis denne klasse af batterier skal på markedet inden for de næste par år, batterisamfundet har brug for måder at fremstille og håndtere deres følsomme komponentmaterialer på omkostningseffektivt og i stor skala.

I løbet af de sidste par årtier, forskere har udviklet - i laboratoriet - forskellige faste elektrolytmaterialer, der udviser kemiske egenskaber, der er ideelle til batterier. Desværre, mange af disse lovende materialer er enten for dyre eller for svære at skalere op til produktion i store mængder. For eksempel, mange bliver meget sprøde, når de bliver tynde nok til fremstilling af ruller, som kræver tykkelser på under 30 mikrometer.

Derudover metoder til fremstilling af faste elektrolytter i større skalaer er ikke veletablerede. For eksempel, de fleste synteseprotokoller kræver flere energetiske processer, der inkluderer multiple fræsning, termisk udglødning og opløsningsbehandlingstrin.

For at overvinde sådanne begrænsninger, forskere ved UC San Diego fusionerer flere ekspertiseområder. De kombinerer keramik brugt i traditionel materialevidenskab med polymerer brugt i organisk kemi for at udvikle fleksible og stabile faste elektrolytter, der er kompatible med skalerbare fremstillingsprocesser. For at løse problemer med materialesyntese, holdet rapporterer også, hvordan faste elektrolytmaterialer kan fremstilles skalerbart ved brug af enkelttrinsfremstilling uden behov for yderligere udglødningstrin.

Batterier designet til genbrug

Brugte batterier indeholder værdifulde og begrænsede materialer som lithium og kobolt, der kan genbruges.

Når de når slutningen af ​​deres livscyklus, disse batterier skal et sted hen, ellers bliver de simpelthen akkumuleret over tid som affald.

Nutidens genbrugsmetoder, imidlertid, er ofte dyre, energi- og tidskrævende, og inkluderer giftige kemikalier til forarbejdning. I øvrigt, disse metoder genvinder kun en lille del af batterimaterialerne på grund af lav genanvendelse af elektrolytter, lithium salte, separator, tilsætningsstoffer og emballagematerialer. For en stor del, det skyldes, at nutidens batterier ikke er designet med omkostningseffektiv genanvendelighed i tankerne fra starten.

UC San Diego-forskere er på forkant med bestræbelserne på at designe genanvendelighed og genanvendelighed i morgendagens hel-solid-state batterier.

"Omkostningseffektiv genanvendelighed og genanvendelighed skal indarbejdes i de fremtidige fremskridt, der er nødvendige for at udvikle faststofbatterier, der giver høje energitætheder på 500 watt-timer pr. kg eller bedre, "sagde UC San Diego nanoengineering professor Zheng Chen." Det er kritisk, at vi ikke laver de samme fejl ved genanvendelighed, som blev begået med litiumionbatterier. "

Batterier skal også designes med deres fulde livscyklus i tankerne. Det betyder, at man skal designe batterier, der er beregnet til at forblive i brug et godt stykke tid efter, at de falder til under de 60 til 80 procent af deres oprindelige kapacitet, som ofte markerer afslutningen på et batteris levetid. Dette kan gøres ved at undersøge sekundære anvendelser for batterier såsom stationær opbevaring eller nødstrøm, forlænge deres levetid, før de endelig rammer genbrugsstationerne.

Hel-solid-state batterier med organiske elektrolytter giver et stort løfte som en fremtidig batteriteknologi, der vil levere høj energitæthed, sikkerhed, lang levetid og genanvendelighed. Men at omdanne disse muligheder til realiteter vil kræve strategisk forskningsindsats, der tager højde for, hvordan de resterende udfordringer, herunder genanvendelighed, er indbyrdes forbundne.