Solid-state-batterier för elfordon, som erbjuder större energitäthet och räckvidd än samtida litiumjonbatterier, förblir utom räckhåll, inte minst på grund av utmaningar som kommer från sammansättningen av batteriets katod. En ny katodsammansättning och tillhörande tillverkningsteknik ser ut att övervinna detta hinder.

En artikel som beskrev tillverkningsprocessen publicerades i tidskriften Nano Research den 24 mars.

Uppladdningsbara solid state-batterier (sådana som är helt solida, utan vätskekomponenter) har länge sökts som nästa generations energilagring, inte minst för elfordon och andra klimatreducerande tillämpningar. De skulle vara lättare, mer energitäta, erbjuda större räckvidd och snabbare laddning än den nuvarande generationen litiumjonbatterier.

Den flytande elektrolyten som används i den senare är det medium genom vilket ström flyter mellan de positiva och negativa elektroderna (katoden respektive anoden). Men vätskan gör batteriet tungt. Det är också brandfarligt och bränder är inte en ovanlig händelse. I ett solid-state-batteri är en solid elektrolyt gjord av keramik, glas eller en polymer mycket säkrare eftersom det inte finns några läckor eller stänk under transporten och erbjuder förbättrad effekttäthet, cyklerbarhet och hållbarhet.

Nyckeln till att få solid-state-batterier att fungera är att designa en bra katod som klarar av hög driftspänning och hög ytkapacitet. Den senare termen beskriver mängden energiladdning i ett batteri per ytenhet under en given tidsperiod. Den enhet som vanligtvis används för att beskriva denna kvantitet är milliampere-timmen (mAh) – eller mängden energiladdning som gör att en ampere ström kan flyta under en timme – jämfört med en given mängd area (vanligtvis mätt i kvadratcentimeter, eller cm ² ). Detta mått är i huvudsak mAh/cm ² , ger en indikation på hur länge ett batteri räcker utan att behöva ladda det, för hur mycket utrymme det tar upp i en enhet.

"De flesta av de kompositkatodtillverkningstekniker som hittills har utforskats resulterar i batterier som inte ens matchar prestandan hos befintliga kommersiella batterier, än mindre överträffar dem, och når runt 3 mAh/cm ² ", sa Jizhang Chen från College of Materials Science and Engineering vid Nanjing Forestry University och huvudförfattare till tidningen.

Dessa katodteknologier lider också av behovet av tillsats av en överdriven mängd bindemedel och ledande medel för att säkerställa att alla aktiva partiklar sprids ut jämnt. Detta minskar katodens densitet, ökar kostnaden och ger också en hel del motstånd vid gränssnittet mellan katoden och elektroden.

Så forskarna utvecklade en ny katodsammansättning och tillhörande tillverkningsteknik som övervinner dessa utmaningar samtidigt som de erbjuder en hög ytkapacitet. Mängden bindemedel och konduktiva medel, i detta fall litiumhydroxid och borsyra, som tillsätts reduceras avsevärt (ned till cirka fyra procent av den totala vikten). Dessa används som tillsatser i sintringsprocessen under katodbildning.

Sintring är en metod för att komprimera ett pulver till en fast massa via värme eller tryck utan att smälta det till punkten att det blir en vätska. I det här fallet finns det dock kvar en flytande fas för åtminstone vissa komponenter medan andra förblir pulver för att ge en boost till bindningen mellan partiklar.

Litiumhydroxiden och borsyran, med sina låga smältpunkter, infiltrerar som vätskor till ett pulver av en nickelrik litiumförening (LiNi_0,8 Mn_0,1 Co_0.1 , eller "NMC811") vid en måttligt förhöjd temperatur (cirka 350 ℃). Detta möjliggör inte bara intim fysisk kontakt mellan pulverpartiklarna, det minskar också behovet av en stor mängd tillsatser och främjar en förtätningsprocess.

Den resulterande kompositkatoden levererade lovande prestanda och slog en ytkapacitet över 8 mAh/cm ² inom ett brett spektrum av spänningar upp till 4,4 V. Detta förväntas användas för att tillverka solid-state batterier med en energitäthet på 500 wattimmar per kilogram (Wh/kg), vilket lätt slår 100-265 Wh/kg energi densitet som erbjuds av samtida litiumjonbatterier. + Utforska vidare

Joniska vätskor gör ett stänk i nästa generations solid-state litiummetallbatterier