Solid-state natriumjonbatterier är mycket säkrare än konventionella litiumjonbatterier, som utgör risk för brand och explosioner, men deras prestanda har varit för svag för att uppväga säkerhetsfördelarna. Forskare rapporterade fredag ​​att de utvecklade en organisk katod som dramatiskt förbättrar både stabilitet och energitäthet.

Den förbättrade prestandan, redovisas i tidskriften Joule , är relaterat till två nyckelfynd:

• Det resistiva gränssnittet mellan elektrolyten och katoden som vanligtvis bildas under cykling kan vändas, förlänga cykellivslängden, och
• Flexibiliteten hos den organiska katoden gjorde det möjligt för den att upprätthålla intim kontakt vid gränsytan med den fasta elektrolyten, även när katoden expanderade och drog ihop sig under cykling.

Yan Yao, docent i el- och datorteknik vid University of Houston och motsvarande författare till tidningen, sa den organiska katoden – känd som PTO, för pyren-4, 5, 9, 10-tetraon – erbjuder unika fördelar jämfört med tidigare oorganiska katoder. Men han sa att de underliggande principerna är lika viktiga.

"Vi fann för första gången att det resistiva gränssnittet som bildas mellan katoden och elektrolyten kan vändas, " sa Yao. "Det kan bidra till stabilitet och längre livslängd." Yao är också en huvudutredare vid Texas Center for Superconductivity vid UH. Hans forskargrupp fokuserar på gröna och hållbara organiska material för energigenerering och lagring.

Yanliang "Leonard" Liang, en forskarassistent vid UH-avdelningen för elektro- och datateknik, sa att reversibiliteten av gränssnittet är nyckeln, vilket gör att solid-state-batteriet kan nå en högre energitäthet utan att offra cykellivslängden. I vanliga fall, ett solid state-batteris förmåga att lagra energi stoppas när det resistiva katod-elektrolytgränssnittet bildas; att vända det motståndet gör att energitätheten förblir hög under cykling, han sa.

Litiumjonbatterier med sina flytande elektrolyter kan lagra relativt stora mängder energi och används ofta för att driva det moderna livets verktyg, från mobiltelefoner till hörapparater. Men risken för brand och explosion har ökat intresset för andra typer av batterier, och ett solid-state natriumjonbatteri erbjuder löftet om ökad säkerhet till en lägre kostnad.

Xiaowei Chi, en postdoktor i Yaos grupp, sa att en viktig utmaning hade varit att hitta en fast elektrolyt som är lika ledande som de flytande elektrolyterna som används i litiumjonbatterier. Nu när tillräckligt ledande fasta elektrolyter finns tillgängliga, en återstående utmaning har varit de solida gränssnitten.

En fråga som väckts av en solid elektrolyt:elektrolyten kämpar för att upprätthålla intim kontakt med en traditionell stel katod när den senare expanderar och drar ihop sig under battericykling. Fang Hao, en Ph.D. student som arbetar i Yaos grupp, sade att den organiska katoden är mer böjlig och därmed kan förbli i kontakt med gränssnittet, förbättra cykellivet. Forskarna sa att kontakten förblev stabil under minst 200 cykler.

"Om du har tillförlitlig kontakt mellan elektroden och elektrolyten, du kommer att ha en stor chans att skapa ett högpresterande solid state-batteri, " sa Hao.