De senaste framstegen i utvecklingen av hybrid- och elfordon har ökat behovet av högpresterande batteriteknik. Forskningsteam över hela världen har därför arbetat med ett brett utbud av alternativa batterilösningar, samtidigt som de har försökt identifiera nya lovande elektrolyter för dessa batterier.
Batterier som innehåller fasta elektroder och en fast elektrolyt, så kallade solid-state-batterier, kan vara en användbar alternativ energilagringslösning för elfordon. Men de traditionella oorganiska keramiska elektrolyterna och organiska polymerelektrolyterna lider ofta av antingen dålig flexibilitet eller mekaniska egenskaper, vilket negativt påverkar batteriernas prestanda.
Forskare vid den kinesiska vetenskapsakademin upptäckte nyligen nya elektrolyter för solid-state-batterier baserade på en klass av viskoelastiskt oorganiskt glas (VIGLAS). Deras artikel, publicerad i Nature Energy , visar att dessa elektrolyter har egenskaper hos både oorganiska och organiska elektrolyter och avsevärt skulle kunna förbättra stabiliteten hos helt fasta battericeller.
"Vi ville från början hitta en oorganisk fast elektrolyt med låg smältpunkt för att förenkla monteringsprocessen av solid-state-batteriet i en miljö med något förhöjd temperatur, vilket liknar flytande Na-jon-batterier," Yong Sheng Hu, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Tech Xplore.
"Baserat på tidigare forskning om smält saltbatteri med LiAlCl4 /NaAlCl4 elektrolyt (som har den lägsta smältpunkten i smälta salter), försökte vi hitta några metoder för att delvis ersätta Cl-atomer för att förbättra jonledningsförmågan i fast tillstånd. Slutligen fann vi att genom att introducera O-atomer för att förglasa den, kunde jonledningsförmågan vid rumstemperatur förbättras med tre storleksordningar och fann oväntat att den har en viskoelasticitet som liknar den hos organiska polymerer."
Huvudsyftet med det senaste arbetet av Hu och hans kollegor var att avslöja nya lovande och skalbara elektrolyter för solid-state-batterier. För det första syntetiserade forskarna sina VIGLAS-baserade fasta elektrolyter, som är baserade på materialet MAlCl4-2x Ox (MACO, M=Li, Na, 0,5
"VIGLAS-material har hög jonledningsförmåga (~1 mS cm
-1
vid 30°C) för båda Li
+
och Na
+
, överlägsen kemo-mekanisk kompatibilitet med 4,3 V-katoder, samt förmågan att möjliggöra trycklösa Li- och Na-baserade solid state-batterier (<0,1 MPa)," förklarade Hu. "Lågsmältningstemperaturen (<160°C) tillåter elektrolyterna att effektivt infiltrera elektrodmaterial som liknar ett flytande batteri. Dessutom underlättar elektrolyternas deformerbarhet möjligheten att skala upp genom produktion av tunna filmer via en rullningsprocess."
Klassen av oorganiskt glas som identifierats av detta team av forskare har en unik kombination av oorganiska egenskaper, inklusive hög jonkonduktivitet, stark oxidativ resistens och polymerliknande flexibla egenskaper som möjliggör kompatibilitet med ofta använda katoder. I inledande tester uppnådde elektrolyter baserade på detta glas mycket lovande resultat, genom att infiltrera elektrodmaterial såväl som flytande elektrolyter.
Speciellt kan teamets elektrolyter också vara lätta att skala upp och kan tillverkas med hjälp av befintliga tillverkningsprocesser. Eftersom de är baserade på deformerbara material skulle de kunna tillverkas i stor skala genom enkla valsningsprocesser.
"Vi visar att det inte finns någon uppenbar gräns mellan organiska polymerelektrolyter och oorganiska elektrolyter," tillade Hu. "De oorganiska elektrolyterna kan också ha polymerliknande mekaniska egenskaper, vilket möjliggör de trycklösa Li- och Na-baserade fasta cellerna. I våra nästa studier planerar vi att utforska några andra liknande VIGLAS-elektrolyter med Li/Na- metallanodstabilitet."
Mer information: Tao Dai et al, oorganiska glaselektrolyter med polymerliknande viskoelasticitet, Nature Energy (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01356-y
Journalinformation: Naturenergi
© 2023 Science X Network
