Forskare har utvecklat ett nytt sätt att förbättra litiumjonbatteriets effektivitet. Genom tillväxten av ett kubiskt kristallskikt, forskarna har skapat en tunn, tätt anslutningsskikt mellan batteriets elektroder. Professor Nobuyuki Zettsu och professor Katsuya Teshima ledde forskningen. Författarna publicerade sina resultat i Vetenskapliga rapporter .

"På grund av vissa inneboende egenskaper hos flytande elektrolyter, såsom lågt litiumtransportantal, komplex reaktion vid gränsytan mellan fast och vätska, och termisk instabilitet, det har inte varit möjligt att samtidigt uppnå hög energi och effekt i någon av de nuvarande elektrokemiska enheterna, " sa Nobuyuki Zettsu, som första författare på tidningen.

Litiumjonbatterier är uppladdningsbara och driver enheter som mobiltelefoner, bärbara datorer, elverktyg, och till och med lagra ström till elnätet. De är särskilt känsliga för temperaturflöden, och har varit kända för att orsaka bränder eller till och med explosioner. Som svar på problemen med flytande elektrolyter, forskare arbetar för att utveckla ett bättre helsolid-state-batteri utan vätska.

"Trots de förväntade fördelarna med hel-solid-state batterier, deras effektegenskaper och energitätheter måste förbättras för att de ska kunna användas i sådana tekniker som elfordon med lång räckvidd, " Sa Zettsu. "Den låga hastighetskapaciteten och låga energitätheten hos helsolid-state-batterier beror delvis på bristen på lämpliga solid-solid heterogena gränssnittstekniker som uppvisar hög ikonisk konduktivitet jämförbar med flytande elektrolytsystem."

Zettsu och hans team odlade fasta elektrolytkristaller av granat-typ i smält LiOH som användes som lösningsmedel (flux) på ett substrat som band elektroden till ett fast tillstånd när de växte. En specifik kristallförening som är känd för att växa kubiskt tillät forskarna att kontrollera tjockleken och anslutningsområdet inom lagret, som fungerar som en keramisk separator.

"Electronmikroskopi-observationer avslöjade att ytan är tätt täckt med väldefinierade polyedriska kristaller. Varje kristall är ansluten till närliggande, " skrev Zettsu.

Zettsu sa också att det nytillväxta kristallskiktet kan vara den idealiska keramiska separatorn när elektrolytskiktet staplas på elektrodskiktet.

"Vi tror att vårt tillvägagångssätt med robusthet mot sidoreaktioner vid gränssnittet möjligen kan leda till tillverkning av idealiska keramiska separatorer med ett tunt och tätt gränssnitt, " skrev Zettsu, noterar att keramiken som används i detta experiment var för tjock för att användas i fasta batterier. "Dock, så länge som elektrodskiktet kan göras så tunt som 100 mikron, staplingsskiktet kommer att fungera som ett fast batteri."

Hundra mikron är ungefär samma bredd som ett människohår, och något mindre än dubbelt så tjockt som ett standardelektrodskikt i samtida litiumjonbatterier. "Helstatliga batterier är lovande kandidater för energilagringsenheter, "Sa Zettsu, noterar att flera samarbeten mellan forskare och privata företag redan pågår med det slutliga målet att visa heltäckande batteriprover vid de olympiska spelen 2020 i Tokyo.

Zettsu och andra forskare planerar att tillverka prototypceller för elbilar och för bärbara enheter senast 2022.