Ett säkrare, grönare och billigare uppladdningsbart batteri för att driva elfordon, mobiltelefoner och många andra applikationer kan vara ett steg närmare efter en banbrytande upptäckt av NUS-forskare.

Teamet ledd av biträdande professor Pieremanuele (Piero) Canepa (avdelningen för materialvetenskap och teknik vid NUS College of Design and Engineering) har identifierat en ny natriumjonbaserad fast elektrolytkomposition som kan möjliggöra ultrasnabb batteriladdning och urladdning.

Deras forskning publicerades nyligen i Nature Communications .

"Konventionella och allmänt använda litiumjonbatterier plågas av säkerhetsproblem, särskilt på grund av den höga brandfarligheten hos de flytande elektrolyterna de innehåller," sa professor Canepa.

"Utmaningen har varit att hitta säkrare solid state-alternativ som kan konkurrera när det gäller laddningshastighet, livslängd och potentiell laddningskapacitet."

Säkrare batterier med hög kapacitet

Att använda icke brandfarliga keramiska material – kända som fasta elektrolyter – för att skapa ett helt solid state-batteri har allmänt setts av forskare som den bästa möjligheten att leverera säkrare batterier med hög kapacitet som behövs för att möta energikraven i en framtid med låga koldioxidutsläpp.

Svårigheten har varit att utveckla rätt sammansättning av keramiskt material som kan leverera prestanda som konkurrerar med brandfarliga flytande elektrolyter från kommersiella litiumjonbatterier.

Den nya solid-state-kompositionen som utvecklats av NUS-teamet använder en klass av fasta elektrolyter som kallas NASICONs (eller Natrium Super Ionic Conductors) som först upptäcktes för cirka fyra decennier sedan av Hong och Goodenough – 2019 års Nobelpristagare i kemi.

Förutom att det är säkrare har batteriet genom att använda natrium istället för litium den extra fördelen att det är billigare och lättare att tillverka.

"Det mesta av världens litium, som är ett ganska sällsynt grundämne i sig, kommer från bara ett fåtal platser - främst Chile, Bolivia och Australien", säger professor Canepa. "Att använda ett batteri som förlitar sig på natrium är dock mycket effektivare, eftersom natrium kan extraheras enkelt och rent – ​​även på en liten plats som här i Singapore."

Avancerat tillvägagångssätt

Upptäckten av Asst Prof Canepas team gjordes med hjälp av en nedifrån-och-upp-metod som innebar att man först utvecklade en teoretisk modell i atomskala av den keramiska kompositionen av NSICON med hjälp av kraftfulla superdatorer och nya algoritmer utvecklade av samma team.

Den designade kompositionen syntetiserades sedan experimentellt, karakteriserades och testades av teamet av professor Masquelier vid CNRS Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, i Amiens, Frankrike. Hastigheten för jonrörelse i den nya NASICON-kompositionen mättes sedan vid NUS och vid Institutet för energi- och klimatforskning, i Jülich, Tyskland.

"Metoden vi använde gör det möjligt för forskare att påskynda utvecklingen och optimeringen av nya fasta elektrolyter för helsolid-state-batterier, vilket är avgörande för att uppnå säkrare batterier med hög effekttäthet," sa professor Canepa.

"Det här avancerade tillvägagångssättet tror vi kommer att vara avgörande för att utveckla nästa generations teknik för lagring av ren energi."

Nästa steg i forskningen, som teamet nu arbetar med, kommer att fokusera på att utveckla ett fast batteri i full storlek med NASICON-keramen och demonstrera dess laddnings- och urladdningsprestanda.

Asst Prof Canepa leder Canepa Research Laboratory vid NUS, som utnyttjar kraften hos superdatorer och avancerade simuleringsalgoritmer för att tänja på gränserna för omvandling och lagring av ren energi.

Canepa Labs forskning om hel-solid-state-batterier

I en relaterad studie undersökte forskare vid Canepa Lab en av de viktigaste utmaningarna i utvecklingen av helsolid-state-batterier:gränssnittet mellan alkalimetallanoden och den fasta elektrolyten, som ofta är instabil och en källa till batterifel .

Stabiliteten hos denna gränsyta beror på egenskaperna hos det kemiskt distinkta mellanskiktet som bildas vid gränsen, känd som den fasta elektrolytinterfasen.

I deras studie, nyligen publicerad i tidskriften PRX Energy , teamet ledd av forskaren Yuheng Li, studerade batterigränssnittet mellan en litium-metallanod och en välkänd fast elektrolyt, vid vilken en självbegränsande och stabil interfas bildas.

För att förstå ursprunget till denna stabilitet använde författarna simuleringar i atomskala för att modellera interfasens elektroniska konduktivitet. De fann att mellanfasen är elektroniskt isolerande och därmed stoppar progressiv bildning av sig själv och stabiliserar gränssnittet.

Teamet säger att deras resultat ger designriktlinjer för stabila batterigränssnitt, vilket hjälper till att påskynda kommersialiseringen av säkra och högpresterande helsolid-state-batterier. + Utforska vidare

Ny väg för nästa generations polymerbaserad batteridesign