En nyligen genomförd studie, knuten till Sydkoreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har visat nya lösningsmedelsfria, enkel litiumjonledande COF.

Ett solid state-batteri anses vara ett säkert batteri som inte exploderar. Det är en form av att stärka säkerheten genom att använda en fast elektrolyt istället för en flytande elektrolyt som fäster vid eld. Som sådan, prestandan hos fasta elektrolyter är viktig, och nya konceptmaterial har nyligen utvecklats som avsevärt kommer att förbättra dess prestanda.

Detta genombrott har tillsammans letts av professor Sang-Young Lee och professor Sang Kyu Kwak vid School of Energy and Chemical Engineering vid UNIST. I den här studien, teamet visade ett nytt koncept, nämligen "Solid ion conductor" som selektivt förflyttar litiumjoner genom jonkanaler, som sträckorna av motorvägar. Eftersom de är solida och kan effektivt överföra endast litiumjoner, det förväntas användas som källmaterial för nästa generations batteri, som högspänningsbatteri eller litiummetallbatteri.

De nuvarande litiumjonbatterierna använder mycket brandfarliga flytande elektrolyter, är därför känsliga för brand eller explosion. Som ett alternativ, en fast elektrolyt är under utveckling, men jonledningen är lägre än den för den flytande elektrolyten. Särskilt, många av de fasta elektrolyter som hittills rapporterats har begränsningar när det gäller att förbättra batteriprestanda eftersom joner migrerar längs en slingrande och komplicerad väg.

Professor Lee har gjort olika ansträngningar för att lösa detta problem, använda porösa kristallina material, såsom kovalenta organiska ramverk (COFs), som jonledare. Inuti detta material, det finns regelbundet arrangerade passager, som är designade för att endast passa med litiumjoner, dramatiskt förbättra jonledningsprestanda.

"Den nyutvecklade jonledaren är en fast fas som inte använder vätska alls, " säger Dr Kihun Jeong på School of Energy and Chemical Engineering vid UNIST, den första författaren till denna studie. "Detta inser också solid-state single litium-jon ledningsbeteende."

Enskild litiumjonledningsbeteende hänvisar till en ideal situation, där endast litiumjoner överförs genom en elektrolyt. Eftersom litiumjoner är positiva joner, det är vanligt att flytta ihop de negativa jonerna. Sådan onödig migration av anjonen orsakar en oönskad sidoreaktion på elektrodytan, vilket sänker batteriets prestanda.

I den här studien, organiska skelettstrukturer syntetiserades med användning av anjoniska monomerer som är parade med litiumjoner. Anjoner är fixerade som en del av den väg genom vilken litiumjoner passerar. Som ett resultat, ett idealiskt flöde realiserades som flyttade till passagen av endast litiumjonstrukturen. Forskarna identifierade teoretiskt användningen av beräkningskemi där litiumjoner migrerar längs syreatomerna som regelbundet är uppradade i jonledarpassagerna.

"Denna studie presenterar en ny riktning för att designa solida jonledare, lägga grunden för utvecklingen av "högpresterande fasta elektrolyter, som är avgörande för kommersialiseringen av nästa generations batterier inklusive alla solid state-batterier, " säger professor Lee. "I synnerhet, litiumjoner kan levereras selektivt och effektivt samtidigt som man helt eliminerar det organiska lösningsmedlet som kan orsaka en explosion."

Han lägger till, "Egenskaperna hos dessa jonledare är inte bara lämpliga som elektrolyt för alla fasta celler, men de kan också appliceras på högreaktiva litiummetallelektroder, som kan användas för litiummetallbatterier, som väcker uppmärksamhet som högenergibatterier."