Forskare från A*STAR:s NanoBio Lab (NBL) har designat en halvfast elektrolyt för litium-svavelbatterier som förbättrar deras säkerhet utan att äventyra deras prestanda. Detta lovande genombrott banar väg för litium-svavelbatterier att användas som effektiva energilösningar för olika elektroniska och energilagringsapplikationer.

Säkerhet är en viktig fråga som hindrar industrins användning av litiumbatterier, på grund av deras mycket brandfarliga flytande organiska elektrolyter som läcker lätt, och deras beroende av termiskt och mekaniskt instabila elektrodseparatorer. Fastän elektrolyter i fast tillstånd har visat potential för förbättring av litiumbatteriernas säkerhetsprofil, deras dåliga elektrod/elektrolytkontakt och begränsad jonledningsförmåga har resulterat i stora konduktivitetsflaskhalsar och låg prestanda.

Professor Jackie Y. Ying, som leder NBL -forskargruppen delade, "Hybrid kvasi-fasta elektrolyter bestående av både flytande och fasta komponenter har framstått som en praktisk kompromiss för att få säkrare batterier samtidigt som de håller bra prestanda. Men den fasta komponentens höga motstånd har hittills begränsat prestanda för sådana batterier. För att övervinna detta, vi har konstruerat om mikrostrukturen för den fasta komponenten. Vår lösning eliminerar elektrolytläckage, och är termiskt och mekaniskt stabilt. "

NBL-forskargruppen utformade en hybrid kvasi-fast elektrolyt, som innefattar ett vätskeinfuserat poröst membran av Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ (LLZO) blad. Teamet utvecklade också en ny metod för att tillverka LLZO -ark som används för att konstruera ramverket för elektrolyten. De kallade den här enstegsprocessen för att producera ett 3D-arkverk "cupcake" -metoden.

LLZO valdes för sin höga joniska konduktivitet, och god kemisk och elektrokemisk stabilitet. Elektrolytens icke-styva struktur gör att den kan bibehålla mycket god kontakt med elektroder och förhindrar att den spricker under hantering och batterimontage. Detta resulterar i säkrare batterier med bättre prestanda. NBL:s halvfasta elektrolyt är också stabil över ett brett spänningsområde, så att den kan användas med olika litiumbatterielektrodmaterial inklusive högspänningskatoder.

Ett litium-svavelbatteri tillverkat med NBL:s nya elektrolyt visade hög kapacitet, snabb laddning/urladdning, och intressant polysulfid shuttling kontroll som stabiliserade batteriets prestanda. I tester, den nya elektrolyten uppnådde en anmärkningsvärd hastighet (~ 515 och ~ 340 mAh/g vid 1 och 2C, respektive) vid 1,5 mg/cm ² laddningstäthet. Detta är bland de högsta kända prestanda som uppnåtts med litium-svavelhybrid-kvasi-fasta batterier.

Professor Ying sa, "Vårt 3D-arkbaserade ramverk visade sig vara avgörande för optimal batteriprestanda. Dessutom har vårt system visade enastående stabilitet under extrema temperaturer. Dessa resultat illustrerar den utmärkta potentialen hos vår arkbaserade struktur som en ram för andra halvfasta litiumbatterier. "

NBL-teamet utvecklar nya litiumjoner, litium-svavel och litium solid-state batterier mot kommersialisering.

Ett-stegs "Cupcake" -syntesmetod

Metallprekursorer och sackaros löses i vatten och placeras i en förprogrammerad ugn.

Inuti ugnen:

• Lösningen värms upp för att bilda en brun "muffin".
• Muffinen upphettas sedan vid hög temperatur för att bilda ark