Den växande populariteten för litiumjonbatterier under de senaste åren har satt en belastning på världens utbud av kobolt och nickel - två metaller som är integrerade i nuvarande batterikonstruktioner - och fått priserna att stiga.

I ett försök att utveckla alternativa konstruktioner för litiumbaserade batterier med mindre beroende av dessa knappa metaller, forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat ett lovande nytt katod- och elektrolytsystem som ersätter dyra metaller och traditionell flytande elektrolyt med billigare övergångsmetallfluorider och en fast polymerelektrolyt.

"Elektroder tillverkade av övergångsmetallfluorider har länge visat stabilitetsproblem och snabbt misslyckande, vilket leder till betydande skepsis om deras förmåga att användas i nästa generations batterier, "sa Gleb Yushin, professor i Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Men vi har visat att när de används med en fast polymerelektrolyt, metallfluoriderna visar anmärkningsvärd stabilitet - även vid högre temperaturer - vilket så småningom kan leda till säkrare, lättare och billigare litiumjonbatterier."

I ett typiskt litiumjonbatteri, energi frigörs under överföringen av litiumjoner mellan två elektroder - en anod och en katod, med en katod som vanligtvis består av litium och övergångsmetaller som kobolt, nickel och mangan. Jonerna flödar mellan elektroderna genom en flytande elektrolyt.

För studien, som publicerades 9 september i tidningen Naturmaterial och sponsrad av Army Research Office, forskargruppen tillverkade en ny typ av katod av aktivt material av järnfluorid och en fast polymerelektrolyt nanokomposit. Järnfluorider har mer än dubbelt så stor litiumkapacitet som traditionella kobolt- eller nickelbaserade katoder. Dessutom, järn är 300 gånger billigare än kobolt och 150 gånger billigare än nickel.

För att producera en sådan katod, forskarna utvecklade en process för att infiltrera en fast polymerelektrolyt i den prefabricerade järnfluoridelektroden. De hettpressade sedan hela strukturen för att öka densiteten och minska eventuella tomrum.

Två centrala egenskaper hos den polymerbaserade elektrolyten är dess förmåga att böja och ta emot svällningen av järnfluoriden under cykling och dess förmåga att bilda en mycket stabil och flexibel interfas med järnfluorid. Traditionellt, att svullnad och massiva sidoreaktioner har varit viktiga problem med användning av järnfluorid i tidigare batteridesigner.

"Katoder gjorda av järnfluorid har enorm potential på grund av sin höga kapacitet, låga materialkostnader och mycket bred tillgänglighet av järn, "Sa Yushin." Men volymen ändras under cykling samt parasitiska sidoreaktioner med flytande elektrolyter och andra nedbrytningsproblem har begränsat deras användning tidigare. Att använda en fast elektrolyt med elastiska egenskaper löser många av dessa problem. "

Forskarna testade sedan flera varianter av de nya solid-state-batterierna för att analysera deras prestanda under mer än 300 cykler av laddning och urladdning vid förhöjd temperatur på 122 grader Fahrenheit, noterar att de överträffade tidigare konstruktioner med metallfluorid även när dessa hölls svala vid rumstemperatur.

Forskarna fann att nyckeln till den förbättrade batteriets prestanda var den fasta polymerelektrolyten. I tidigare försök att använda metallfluorider, man trodde att metalljoner migrerade till katodens yta och så småningom upplöstes i den flytande elektrolyten, orsakar kapacitetsförlust, särskilt vid förhöjda temperaturer. Dessutom, metallfluorider katalyserade massiv nedbrytning av flytande elektrolyter när cellerna arbetade över 100 grader Fahrenheit. Dock, vid anslutningen mellan den fasta elektrolyten och katoden, sådan upplösning sker inte och den fasta elektrolyten förblir anmärkningsvärt stabil, förhindra sådana nedbrytningar, forskarna skrev.

"Polymerelektrolyten vi använde var mycket vanlig, men många andra fasta elektrolyter och andra batteri- eller elektrodarkitekturer-såsom kärnskalpartikelmorfologier-borde på liknande sätt kunna mildra eller till och med helt förhindra parasitiska sidreaktioner och uppnå stabila prestandaegenskaper, sade Kostiantyn Turcheniuk, forskare i Yushins laboratorium och medförfattare till manuskriptet.

I framtiden, forskarna syftar till att utveckla nya och förbättrade fasta elektrolyter för att möjliggöra snabb laddning och även att kombinera fasta och flytande elektrolyter i nya konstruktioner som är fullt kompatibla med konventionell celltillverkningsteknik som används i stora batterifabriker.