Forskare från Tohoku University och High Energy Accelerator Research Organization har utvecklat en ny komplex hydrid litium superionisk ledare som kan resultera i helsolid-state batterier med den högsta energitätheten hittills. Forskarna säger att det nya materialet, uppnås genom att designa strukturer av vätekluster (komplexa anjoner), visar markant hög stabilitet mot litiummetall, vilket skulle göra det till det ultimata anodmaterialet för helsolid-state-batterier.

Helt fast-tillståndsbatterier som innehåller en litiummetallanod har potential att lösa energitäthetsproblemen hos konventionella litiumjonbatterier. Men tills nu, deras användning i praktiska celler har begränsats av det höga litiumjonöverföringsmotståndet, orsakas främst av den fasta elektrolytens instabilitet mot litiummetall. Denna nya fasta elektrolyt som uppvisar hög jonkonduktivitet och hög stabilitet mot litiummetall representerar därför ett verkligt genombrott för helsolid-state-batterier som använder en litiummetallanod.

"Vi förväntar oss att denna utveckling inte bara kommer att inspirera framtida ansträngningar för att hitta litiumöverjoniska ledare baserade på komplexa hydrider, men också öppna upp en ny trend inom området fasta elektrolytmaterial som kan leda till utvecklingen av elektrokemiska enheter med hög energidensitet, " sa Sangryun Kim från Shin-ichi Orimos forskargrupp vid Tohoku University.

Bakgrund:

Helsolid-state-batterier är lovande kandidater för att lösa de inneboende nackdelarna med nuvarande litiumjonbatterier, såsom elektrolytläckage, brandfarlighet och begränsad energitäthet. Litiummetall anses allmänt vara det ultimata anodmaterialet för helsolid-state-batterier eftersom det har den högsta teoretiska kapaciteten (3860 mAh g) ^-1 ) och den lägsta potentialen (-3,04 V mot standardväteelektrod) bland kända anodmaterial.

Litiumjonledande fasta elektrolyter är en nyckelkomponent i helsolid-state-batterier eftersom jonledningsförmågan och stabiliteten hos den fasta elektrolyten bestämmer batteriets prestanda. Problemet är att de flesta befintliga fasta elektrolyter har kemisk/elektrokemisk instabilitet och/eller dålig fysisk kontakt mot litiummetall, oundvikligen orsakar oönskade sidoreaktioner vid gränssnittet. Dessa bireaktioner resulterar i en ökning av gränssnittsresistens, kraftigt försämrad batteriprestanda under upprepad cykling.

Som framgått av tidigare studier, som föreslog strategier som legering av litiummetallen och gränssnittsmodifiering, denna nedbrytningsprocess är mycket svår att ta itu med eftersom dess ursprung är den höga termodynamiska reaktiviteten hos litiummetallanoden med elektrolyten. De största utmaningarna med att använda litiummetallanoden är hög stabilitet och hög litiumjonledningsförmåga hos den fasta elektrolyten.

"Komplexa hydrider har fått mycket uppmärksamhet för att ta itu med problemen i samband med litiummetallanoden på grund av deras enastående kemiska och elektrokemiska stabilitet mot litiummetallanoden, " sa Kim. "Men på grund av deras låga jonledningsförmåga, att använda komplexa hydrider med litiummetallanoden har aldrig försökts i praktiska batterier. Så vi var mycket motiverade att se om utveckling av komplex hydrid som uppvisar litiumöverjonisk konduktivitet vid rumstemperatur kan möjliggöra användningen av litiummetallanod. Och det fungerade."