Kredit:University of California - San Diego
När det kommer till batterier, det finns alltid områden för förbättringar:loppet är igång för att utveckla batterier som är billigare, säkrare, håller längre, mer energität, och lätt återvinningsbar.
I en recensionsartikel publicerad i mars 2020-numret av Naturens nanoteknik , nanoingenjörer vid University of California San Diego erbjuder en forskningsfärdplan som inkluderar fyra utmaningar som måste lösas för att en lovande klass av batterier – heltäckande solid-state batterier – ska kunna kommersialiseras. Den här artikeln sammanfattar teamets arbete för att tackla dessa utmaningar under de senaste tre åren, som har rapporterats i flera referentgranskade artiklar publicerade i olika tidskrifter.
Till skillnad från dagens uppladdningsbara litiumjonbatterier, som innehåller flytande elektrolyter som ofta är brandfarliga, batterier med fasta elektrolyter ger möjlighet till större säkerhet, förutom en hel rad fördelar inklusive högre energitäthet.
I den Naturens nanoteknik recensionsartikel, forskarna fokuserar på oorganiska fasta elektrolyter som keramiska oxider eller sulfidglas. Oorganiska fasta elektrolyter är en relativt ny klass av fasta elektrolyter för helfasta batterier (i motsats till organiska fasta elektrolyter som är mer omfattande undersökt.)
Färdkarta:oorganiska elektrolyter för helsolid-state-batterier
Följande är en översikt över den färdplan som forskarna beskriver i sin översiktsartikel:
"Det är viktigt att vi tar ett steg tillbaka och funderar över hur vi ska ta itu med dessa utmaningar samtidigt eftersom de alla är relaterade till varandra, sa Shirley Meng, en nanoteknikprofessor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Om vi ska infria löftet om heltäckande fasta batterier, vi måste hitta lösningar som hanterar alla dessa utmaningar samtidigt."
Som chef för UC San Diego Sustainable Power and Energy Center och chef för UC San Diego Institute for Materials Discovery and Design, Meng är en nyckelmedlem i ett kluster av forskare i spetsen för all forskning och utveckling av solid-state batterier vid UC San Diego.
Skapar stabila fasta elektrolytkemiska gränssnitt
Fasta elektrolyter har kommit långt sedan deras tidiga dagar, när de första upptäckta elektrolyterna hade för låga konduktivitetsvärden för praktiska tillämpningar. Dagens avancerade elektrolyter i fast tillstånd visar ledningsförmåga som överstiger till och med de för konventionella flytande elektrolyter som används i dagens batterier (större än 10 mS cm -1 ). Jonkonduktivitet hänvisar till hur snabbt litiumjoner kan röra sig i elektrolyten.
Tyvärr, de flesta högledande fasta elektrolyterna som rapporterats är ofta elektrokemiskt instabila och möter problem när de appliceras mot elektrodmaterial som används i batterier.
"Vid denna punkt, vi borde flytta vårt fokus bort från att jaga högre jonledningsförmåga. Istället, vi bör fokusera på stabilitet mellan fasta elektrolyter och elektroder, sa Meng.
Om jonledningsförmågan är analog med hur snabbt en bil kan köras, då syftar gränssnittsstabilitet på hur svårt det är att ta sig igenom rusningstrafiken. Det spelar ingen roll hur snabbt din bil kan köra om du sitter fast i trafiken på väg till jobbet.
Forskare vid UC San Diego tog nyligen upp denna flaskhals för gränssnittsstabilitet, demonstrerar hur man stabiliserar elektrod-elektrolytgränssnittet och förbättrar batteriprestanda med hjälp av fasta elektrolyter med måttlig jonledningsförmåga men uppvisar stabila gränssnitt.
Nya verktyg för i operando diagnos och karaktärisering
Varför går batterierna sönder? Varför uppstår kortslutning? Processen att förstå vad som händer inuti ett batteri kräver karakterisering ner till nanoskala, helst i realtid. För helledarbatterier, detta är oerhört utmanande.
Batterikarakterisering bygger vanligtvis på att använda sonder som röntgenstrålar, eller elektron- eller optisk mikroskopi. I kommersiella litiumjonbatterier, de flytande elektrolyterna som används är genomskinliga, möjliggör observation av olika fenomen vid respektive elektroder. I vissa fall, denna vätska kan också tvättas bort för att ge en renare yta för karakterisering av högre upplösning.
"Vi har mycket lättare att observera dagens litiumjonbatterier. Men i helsolid-state-batterier, allt är fast eller begravt. Om du provar samma teknik för heltäckande batterier, det är som att försöka se genom en tegelvägg, " sa Darren H. S. Tan, en nanoteknik Ph.D. kandidat vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Dessutom, fasta elektrolyter och litiummetall som används i solid state-batterier kan vara känsliga för elektronstråleskador. Detta innebär att vanliga elektronmikroskopitekniker som används för att studera batterier skulle skada materialen av intresse innan de kan observeras och karakteriseras.
Ett sätt som forskare från UC San Diego övervinner dessa utmaningar är att använda kryogena metoder för att hålla batterimaterial svalt, mildrar deras nedbrytning under elektronmikroskopsonden.
Ett annat verktyg som används för att övervinna hindren för att karakterisera fasta elektrolytgränssnitt är röntgentomografi. Detta liknar vad människor genomgår under sina hälsokontroller. Tillvägagångssättet användes i en färsk tidning som rapporterade om observationen - utan att öppna eller störa själva batteriet - av litiumdendriter begravda i den fasta elektrolyten.
Skalbar och kostnadseffektiv tillverkningsbarhet
Genombrott inom batteriforskning betyder ofta inte så mycket om de inte är skalbara. Detta inkluderar förskott för helsolid-state-batterier. Om denna klass av batterier ska komma in på marknaden inom de närmaste åren, batterisamhället behöver sätt att tillverka och hantera sina känsliga komponentmaterial kostnadseffektivt och i stor skala.
Under de senaste decennierna, forskare har utvecklat – i labbet – olika fasta elektrolytmaterial som uppvisar kemiska egenskaper som är idealiska för batterier. Tyvärr, många av dessa lovande material är antingen för dyra eller för svåra att skala upp för tillverkning i stora volymer. Till exempel, många blir mycket spröda när de görs tillräckligt tunna för tillverkning från rulle till rulle, som kräver tjocklekar på under 30 mikrometer.
Dessutom, metoder för att producera fasta elektrolyter i större skala är inte väl etablerade. Till exempel, de flesta syntesprotokoll kräver flera energiska processer som inkluderar multipel fräsning, termisk glödgning och lösningsbearbetningssteg.
För att övervinna sådana begränsningar, forskare vid UC San Diego slår samman flera expertområden. De kombinerar keramik som används inom traditionell materialvetenskap med polymerer som används i organisk kemi för att utveckla flexibla och stabila fasta elektrolyter som är kompatibla med skalbara tillverkningsprocesser. För att ta itu med problem med materialsyntes, teamet rapporterar också hur fasta elektrolytmaterial kan framställas skalbart med enstegstillverkning utan behov av ytterligare glödgningssteg.
Batterier designade för återvinningsbarhet
Förbrukade batterier innehåller värdefulla och begränsade material som litium och kobolt som kan återanvändas.
När de når slutet av sin livscykel, dessa batterier måste gå någonstans, annars kommer de helt enkelt att ackumuleras med tiden som avfall.
Dagens återvinningsmetoder, dock, är ofta dyra, energi och tidskrävande, och inkluderar giftiga kemikalier för bearbetning. Dessutom, dessa metoder återvinner bara en liten del av batterimaterialen på grund av låg återvinningsgrad av elektrolyter, litiumsalter, separator, tillsatser och förpackningsmaterial. Till stor del, detta beror på att dagens batterier inte har designats med kostnadseffektiv återvinning i åtanke från början.
Forskare från UC San Diego ligger i framkant av arbetet med att designa återanvändbarhet och återvinningsbarhet till morgondagens helsolid-state-batterier.
"Kostnadseffektiv återanvändbarhet och återvinningsbarhet måste byggas in i de framtida framsteg som behövs för att utveckla helfasta batterier som ger hög energitäthet på 500 wattimmar per kg eller bättre, " sa UC San Diego nanoteknikprofessor Zheng Chen. "Det är avgörande att vi inte gör samma återvinningsfel som gjordes med litiumjonbatterier."
Batterier måste också utformas med deras hela livscykel i åtanke. Detta innebär att man designar batterier som är avsedda att förbli i användning långt efter att de sjunker under de 60 till 80 procent av sin ursprungliga kapacitet som ofta markerar slutet på ett batteris livslängd. Detta kan göras genom att utforska sekundära användningsområden för batterier som stationär lagring eller för nödkraft, förlänger deras livslängd innan de slutligen kommer till återvinningscentralerna.
Helt fast tillståndsbatterier med organiska elektrolyter lovar mycket som en framtida batteriteknologi som kommer att leverera hög energitäthet, säkerhet, lång livslängd och återvinningsbarhet. Men att omvandla dessa möjligheter till verklighet kommer att kräva strategiska forskningsinsatser som tar hänsyn till hur de återstående utmaningarna, inklusive återvinningsbarhet, är relaterade till varandra.
