Forskare vid Tokyo Metropolitan University har utvecklat en ny metod för att göra keramiska flexibla elektrolytskivor för litiummetallbatterier. De kombinerade en granat-typ keramik, ett polymerbindemedel och en jonisk vätska, producerar en kvasi-solid-state arkelektrolyt. Syntesen utförs vid rumstemperatur, kräver betydligt mindre energi än befintlig högtemperatur (> 1000°C) processer. Den fungerar över ett brett temperaturintervall, vilket gör den till en lovande elektrolyt för batterier, t.ex. i elfordon.

Fossila bränslen står för det mesta av världens energibehov, inklusive el. Men fossila bränslen tar slut, och förbränning av dem leder också till direkta utsläpp av koldioxid och andra föroreningar som giftiga kväveoxider i atmosfären. Det finns en global efterfrågan på att gå över till renare förnybara energikällor. Men stora källor till förnybar energi som vind- och solenergi är ofta intermittent - vinden blåser inte hela tiden och solen skiner inte på natten. Avancerade energilagringssystem krävs därför för att använda förnybar, intermittenta källor mer effektivt. Litiumjonbatterier har haft en djupgående inverkan på det moderna samhället, driva ett brett utbud av bärbar elektronik och apparater som sladdlösa dammsugare sedan de lanserades av Sony 1991. Men att använda dessa batterier i elfordon kräver fortfarande en avsevärd förbättring av kapaciteten och säkerheten hos toppmoderna Li -jonteknik.

Detta har lett till en renässans av forskningsintresset för litiummetallbatterier:Litiummetallanoder har en mycket högre teoretisk kapacitet än grafitanoderna i kommersiellt bruk nu. Det finns fortfarande tekniska hinder förknippade med litiummetallanoder. I vätskebaserade batterier, till exempel, litiumdendriter (eller armar) kan växa som kan kortsluta batteriet och till och med leda till bränder och explosioner. Det är där oorganiska elektrolyter i fast tillstånd har kommit in:de är betydligt säkrare, och en granattyp (typ av struktur) keramisk Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ , mer känd som LLZO, anses nu allmänt vara ett lovande elektrolytmaterial i fast tillstånd för sin höga jonledningsförmåga och kompatibilitet med Li-metall. Dock, att producera LLZO-elektrolyter med hög densitet kräver mycket höga sintringstemperaturer, så hög som 1200 °C. Detta är både energiineffektivt och tidskrävande, gör storskalig produktion av LLZO-elektrolyter svår. Dessutom, den dåliga fysiska kontakten mellan spröda LLZO-elektrolyter och elektrodmaterialen resulterar vanligtvis i hög gränsytresistans, avsevärt begränsar deras användning i helsolid-state Li-metall batterier.

Således, ett team ledd av professor Kiyoshi Kanamura vid Tokyo Metropolitan University satte sig för att utveckla en flexibel komposit LLZO-arkelektrolyt som kan tillverkas vid rumstemperatur. De gjuter en LLZO keramisk slurry på ett tunt polymersubstrat, som att breda smör på rostat bröd. Efter torkning i vakuumugn, den 75 mikron tjocka arkelektrolyten blötlades i en jonisk vätska (IL) för att förbättra dess jonledningsförmåga. IL är salter som är flytande vid rumstemperatur, känd för att vara starkt ledande samtidigt som den är nästan obrännbar och icke-flyktig. Inuti lakanen, IL fyllde framgångsrikt de mikroskopiska luckorna i strukturen och överbryggade LLZO-partiklarna, bildar en effektiv väg för Li-joner. De reducerade också effektivt gränsytresistansen vid katoden. Vid vidare utredning, de fann att Li-joner diffunderade genom både IL- och LLZO-partiklarna i strukturen, lyfter fram den roll som båda spelar. Syntesen är enkel och lämplig för industriell produktion:hela processen utförs i rumstemperatur utan behov av högtemperatursintring.

Även om utmaningar kvarstår, teamet säger att den mekaniska robustheten och funktionsdugligheten hos den flexibla kompositskivan vid ett brett temperaturområde gör den till en lovande elektrolyt för Li-metallbatterier. Enkelheten i denna nya syntesmetod kan innebära att vi kommer att se högkapacitets litiummetallbatterier på marknaden tidigare än vi tror.