Sydkoreanska forskare har utvecklat en ny typ av elektrodstruktur för helsolid-state sekundära batterier. Om denna teknik används, batteriernas energitäthet kan öka avsevärt jämfört med befintlig teknik, bidrar enormt till utvecklingen av högpresterande sekundära batterier.

En gemensam forskargrupp från Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) och Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) har designat en ny elektrodstruktur för helsolid-state sekundära batterier efter att ha identifierat mekanismen för enkel litiumjondiffusion mellan aktiva material. De har publicerat sina resultat i ACS Energibrev , en internationell akademisk tidskrift online specialiserad på energisektorn som drivs av American Chemical Society (ACS).

Till skillnad från primära celler, som bara kan användas en gång, sekundära batterier kan laddas och användas upprepade gånger. Vikten av sekundär batteriteknik för robotar, elbilar, energilagringssystem (ESS) och drönare växer år för år.

All-solid-state sekundära batterier använder en fast elektrolyt för att transportera joner inuti batterielektroder. Fasta elektrolyter är säkrare än flytande elektrolyter, som kan orsaka brand. Dessutom, fasta elektrolyter kan implementeras i en sekundär cell av bipolär typ för att öka energitätheten genom en enkel batterikonfiguration.

Elektrodstrukturen hos en konventionell sekundärcell i helt fast tillstånd består av en fast elektrolyt som ansvarar för jonledning, en ledande tillsats som tillhandahåller medel för elektronledning; aktivt material som ansvarar för att lagra energi; och ett bindemedel som håller dessa beståndsdelar fysiskt och kemiskt.

ETRI-forskare upptäckte genom systematiska experiment, dock, att joner transporteras även mellan grafitaktiva materialpartiklar. Och de föreslog en ny typ av elektrodstruktur för en sekundärcell i helt fast tillstånd som endast består av det aktiva materialet och bindemedlet. Forskarna bekräftade möjligheten att även utan en fast elektrolyttillsats i elektroderna, prestandan hos en sekundärcell i helt fast tillstånd kan vara överlägsen.

Den teoretiska genomförbarheten av den nya strukturen som föreslagits av ETRI verifierades vid DGIST genom elektrokemisk testning av en virtuell modell som körs på en superdator. ETRI-forskare lyckades demonstrera denna struktur i ett faktiskt experiment. Resultatet är en diffusionsberoende helsolid-state-elektrod.

Om ETRI:s teknik antas, fast ledningstillsatsmaterial kommer att bli onödigt i elektroden; istället, det mer aktiva materialet kan pressas in i samma volym. Med andra ord, mängden aktivt material i elektroden kan öka med upp till 98 viktprocent och som ett resultat, energitätheten kan göras 1,5 gånger större än den konventionella grafitkompositelektroden.

Tekniken erbjuder fördelar även i tillverkningsprocessen. Fasta elektrolyter av sulfidtyp, som har hög jonledningsförmåga och måttlig plasticitet, betraktas som en utmärkt kandidat för tillverkning av helsolid-state-batterier. Men på grund av dess höga kemiska reaktivitet, de fasta elektrolyterna av sulfidtyp lämnar batteriutvecklare med mycket få alternativ när det kommer till lösningsmedel och bindemedel. I kontrast, med den nya ETRI-elektroden, utvecklare kan fritt välja vilken typ av lösningsmedel och bindemedel som ska användas i batteriet eftersom elektroden inte innehåller några fasta elektrolyter som är mycket reaktiva. Detta gör det också möjligt för forskare att utöva nya metoder för att förbättra prestandan hos sekundära celler i helt fast tillstånd.

Dr Young-Gi Lee, som var involverad i denna forskning, sa, "Vi har för första gången avslöjat att joner kan diffunderas bara med aktiva material. Vi är inte längre bundna till strukturen som används i befintliga sekundära celler i helt fast tillstånd. Vi planerar att utveckla sekundära celler med även höga energidensiteter, använder denna teknik. Vi kommer också att säkra våra rättigheter till kärntekniken och arbeta på en version som kan kommersialiseras."

Även om ETRI utförde sin forskning med grafitkatodaktivt material, det avser att fortsätta sin forskning baserad på samma koncept med olika andra elektrodmaterial. Man planerar också att förbättra tekniken för att öka effektiviteten. Detta kan åstadkommas genom att eliminera gränssnittsproblemen mellan elektroderna och tunna ut volymen av elektroder.