Re-jigged katodeopskrift giver nyt håb til solid-state-batterier til elektriske køretøjer

Solid-state batterier til elektriske køretøjer, der tilbyder større energitæthed og rækkevidde end moderne lithium-ion batterier, forbliver uden for rækkevidde, ikke mindst på grund af udfordringer fra sammensætningen af ​​batteriets katode. En ny katodesammensætning og tilhørende fremstillingsteknik ser ud til at overvinde denne forhindring.

Et papir, der beskriver fremstillingsprocessen, udkom i tidsskriftet Nano Research den 24. marts.

Genopladelige solid state-batterier (dem, der er helt solide, uden flydende komponenter) har længe været søgt som den næste generation af energilagring, ikke mindst til elektriske køretøjer og andre klimabegrænsende applikationer. De ville være lettere, mere energitætte, give større rækkevidde og hurtigere genopladning end den nuværende generation af lithium-ion-batterier.

Den flydende elektrolyt, der anvendes i sidstnævnte, er det medium, gennem hvilket strømmen løber mellem de positive og negative elektroder (henholdsvis katoden og anoden). Men væsken gør batteriet tungt. Det er også brandfarligt, og brande er ikke en usædvanlig begivenhed. I et solid state-batteri er en solid elektrolyt lavet af keramik, glas eller en polymer meget sikrere, da der ikke er nogen lækager eller sprøjt under transport, og den tilbyder forbedret strømtæthed, cyklerbarhed og holdbarhed.

Nøglen til at få solid-state batterier til at fungere er at designe en god katode, som er i stand til en høj driftsspænding og høj arealkapacitet. Sidstnævnte udtryk beskriver mængden af ​​energiladning i et batteri pr. arealenhed i en given tidsperiode. Den enhed, der almindeligvis bruges til at beskrive denne størrelse, er milliampere-timen (mAh) - eller mængden af ​​energiladning, der vil tillade en strømstyrke at flyde i en time - sammenlignet med en given mængde areal (typisk målt i kvadratcentimeter, eller cm ² ). I det væsentlige er denne måling, mAh/cm ² , giver en indikation af, hvor længe et batteri vil holde uden at skulle genoplade det, for den mængde plads, det optager i en enhed.

"De fleste af de kompositkatodefremstillingsteknologier, der er blevet undersøgt indtil videre, resulterer i batterier, der ikke engang matcher ydeevnen af ​​eksisterende kommercielle batterier, endsige overskrider dem, når de rammer omkring 3 mAh/cm ² ," sagde Jizhang Chen fra College of Materials Science and Engineering ved Nanjing Forestry University og hovedforfatter af papiret.

Disse katodeteknologier lider også under behovet for tilsætning af en for stor mængde bindemidler og ledende midler for at sikre, at alle de aktive partikler er ensartet spredt ud. Dette reducerer tætheden af ​​katoden, øger omkostningerne og producerer også en stor modstand ved grænsefladen mellem katoden og elektroden.

Så forskerne udviklede en ny katodesammensætning og tilhørende fremstillingsteknik, der overvinder disse udfordringer og samtidig tilbyder en høj arealkapacitet. Mængden af ​​tilsatte bindemidler og ledende midler, i dette tilfælde lithiumhydroxid og borsyre, reduceres væsentligt (ned til omkring fire procent af den samlede vægt). Disse bruges som additiver i sintringsprocessen under katodedannelse.

Sintring er en metode til at komprimere et pulver til en fast masse via varme eller tryk uden at smelte det til det punkt, at det bliver til en væske. I dette tilfælde forbliver der dog en flydende fase for i det mindste nogle komponenter, mens andre forbliver pulver for at give et boost til bindingen mellem partikler.

Lithiumhydroxidet og borsyren med deres lave smeltepunkter infiltrerer som væsker til et pulver af en nikkelrig lithiumforbindelse (LiNi_0,8 Mn_0,1 Co_0,1 , eller "NMC811") ved en moderat forhøjet temperatur (omkring 350 ℃). Dette muliggør ikke kun intim fysisk kontakt mellem pulverpartiklerne, det reducerer også behovet for en høj mængde additiver og fremmer en fortætningsproces.

Den resulterende kompositkatode leverede lovende ydeevne og ramte en arealkapacitet på over 8 mAh/cm ² inden for et bredt område af spændinger op til 4,4 V. Dette forventes at blive brugt til at fremstille solid-state batterier med en energitæthed på 500 watt-timer pr. kilogram (Wh/kg), hvilket let slår 100-265 Wh/kg energi densitet, der tilbydes af moderne lithium-ion-batterier. + Udforsk yderligere

Ioniske væsker laver et sprøjt i næste generations solid-state lithiummetalbatterier