Många mobila enheter drivs av litiumjonbatterier, som kan vara mindre, lättare, säkrare och effektivare om de flytande elektrolyterna de innehåller ersattes med fasta ämnen. En lovande kandidat för en elektrolyt i fast tillstånd är en ny klass av material baserade på litiumföreningar, presenteras av fysiker från Schweiz och Polen.

Kommersiellt tillgängliga litiumjonbatterier består av två elektroder förbundna med en flytande elektrolyt. Denna elektrolyt gör det svårt för ingenjörer att minska storleken och vikten på batteriet. Dessutom, de är föremål för läckage; litiumet i de exponerade elektroderna kommer då i kontakt med syre i luften och genomgår självantändning. Det här problemet orsakade fullständig grundstötning av Dreamliner-flyg, ett spektakulärt exempel på de problem som användningen av moderna litiumjonbatterier medför.

Laboratorier har letat efter fasta material som kan ersätta flytande elektrolyter i flera år. De mest populära kandidaterna inkluderar föreningar där litiumjoner är omgivna av svavel- eller syrejoner. Dock, i journalen Avancerade energimaterial , ett schweizisk-polskt team av forskare har presenterat en ny klass av joniska föreningar där laddningsbärarna är litiumjoner som rör sig i en miljö av amin- (NH2) och tetrahydroborat- (BH4) joner. Den experimentella delen av forskningsprojektet genomfördes på Empa, de schweiziska federala laboratorierna för materialvetenskap och teknik i Dübendorf, och vid universitetet i Genève (UG), ledd av prof. Zbigniew Lodziana från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow.

"Vi hade att göra med litiumamid-borhydrid, ett ämne som tidigare betraktats som en otillräcklig jonledare. Denna förening framställs genom att mala två beståndsdelar i ett förhållande av en till tre. Hittills, ingen har någonsin testat vad som händer med jonkonduktiviteten när proportionerna mellan dessa beståndsdelar ändras. Vi var de första att göra det, och det visade sig att genom att minska antalet NH2-grupper till en viss gräns, vi skulle kunna förbättra konduktiviteten avsevärt. Det ökar så mycket att det blir jämförbart med konduktiviteten hos flytande elektrolyter, " säger prof. Lodziana.

Denna enorma ökning av jonledningsförmåga öppnar upp en ny, outforskad riktning i sökandet efter en elektrolyt i fast tillstånd. Tidigare, fokus låg nästan uteslutande på förändringar i det kemiska ämnets sammansättning. Det har nu blivit uppenbart att vid tillverkningsstadiet av föreningen, a proportionerna av ingredienserna som används för att tillverka dem är nyckeln.

"Vår litiumamid-borhydrid är en representant för en lovande ny klass av elektrolytmaterial i fast tillstånd. det kommer att dröja innan batterier som är byggda på sådana föreningar tas i bruk. Till exempel, Det bör inte förekomma några kemiska reaktioner mellan elektrolyten och elektroderna som leder till deras nedbrytning. Detta problem väntar fortfarande på en optimal lösning, " säger prof. Lodziana.

Forskningsutsikterna är lovande. Forskarna begränsade sig inte bara till att karakterisera det nya materialets fysikalisk-kemiska egenskaper. Föreningen användes som en elektrolyt i en typisk Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ halvcell. Halvcellen presterade bra i tester av utarmning och laddning, visat sig stabila över 400 cykler. Forskarna har tagit lovande steg för att lösa en annan viktig fråga. Litiumamid-borhydriden som beskrivs i publikationen uppvisade utmärkt jonledningsförmåga endast vid cirka 40°C. I de senaste experimenten, denna har redan sänkts under rumstemperatur.

Teoretiskt sett, dock, det nya materialet är fortfarande en utmaning. Tidigare, forskare har konstruerat modeller för ämnen där litiumjonerna rör sig i en atomär miljö. I det nya materialet, joner rör sig bland lätta molekyler som justerar sin orientering för att underlätta litiumrörelsen.

"I den föreslagna modellen, den utmärkta jonledningsförmågan är en följd av den specifika konstruktionen av det kristallina gittret hos det testade materialet. Detta nätverk består i själva verket av två sub-gitter. Det visar sig att litiumjonerna finns här i de elementära cellerna i endast ett undergitter. Dock, diffusionsbarriären mellan undergittren är låg. Under lämpliga förhållanden, jonerna går alltså till den andra, tomt undergitter, där de kan röra sig ganska fritt, " förklarar professor Lodziana.

Detta förklarar bara några av de observerade egenskaperna hos det nya materialet. De mekanismer som är ansvariga för dess höga ledningsförmåga är förvisso mer komplexa. Ytterligare studier bör avsevärt påskynda sökandet efter optimala föreningar för en elektrolyt i fast tillstånd och följaktligen förkorta processen för kommersialisering av nya kraftkällor som med största sannolikhet kommer att revolutionera bärbar elektronik.