Oamenii de știință descoperă un nou electrolit pentru bateriile litiu-ion cu stare solidă – ScienceDaily

Noul material pentru baterii oferă promisiune pentru dezvoltarea bateriilor solide.

În căutarea bateriei perfecte, oamenii de știință au două obiective principale: să creeze un dispozitiv care să poată stoca o cantitate mare de energie și să o facă în siguranță. Multe baterii conțin electroliți lichizi, care sunt potențial inflamabili.

Ca rezultat, bateriile litiu-ion cu stare solidă, care constau din componente în întregime solide, au devenit din ce în ce mai atractive pentru oamenii de știință, deoarece oferă o combinație atrăgătoare de siguranță mai mare și densitate de energie crescută – care este cantitatea de energie pentru care bateria poate stoca. un volum dat.

Cercetătorii de la Universitatea din Waterloo, Canada, care sunt membri ai Centrului Comun pentru Cercetarea în Stocarea Energiei (JCESR), cu sediul la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE), au descoperit un nou electrolit solid care oferă câteva avantaje importante.

Acest electrolit, compus din litiu, scandiu, indiu și clor, conduce bine ionii de litiu, dar electronii slab. Această combinație este esențială pentru crearea unei baterii cu stare solidă care să funcționeze fără a pierde semnificativ capacitatea timp de peste o sută de cicluri la tensiune înaltă (peste 4 volți) și mii de cicluri la tensiune intermediară. Natura clorură a electrolitului este esențială pentru stabilitatea acestuia în condiții de operare peste 4 volți, ceea ce înseamnă că este potrivit pentru materialele catodice tipice care formează pilonul celulelor litiu-ion de astăzi.

„Principala atracție a unui electrolit în stare solidă este că nu poate lua foc și permite o plasare eficientă în celula bateriei; am fost încântați să demonstrăm funcționarea stabilă la înaltă tensiune”, a spus Linda Nazar, profesor de cercetare distins. de chimie la UWaterloo și membru de lungă durată al JCESR.

Iterațiile actuale ale electroliților în stare solidă se concentrează în mare măsură pe sulfuri, care se oxidează și se degradează peste 2,5 volți. Prin urmare, necesită încorporarea unui strat izolator în jurul materialului catodic care funcționează peste 4 volți, ceea ce afectează capacitatea electronilor și ionilor de litiu de a se muta din electrolit în catod.

„Cu electroliții sulfurați, aveți un fel de enigmă – doriți să izolați electronic electrolitul de catod, astfel încât să nu se oxideze, dar aveți nevoie de conductivitate electronică în materialul catodului”, a spus Nazar.

În timp ce grupul lui Nazar nu a fost primul care a conceput un electrolit de clorură, decizia de a schimba jumătate din indiu cu scandiu, pe baza lucrărilor lor anterioare, s-a dovedit a fi un câștigător în ceea ce privește o conductivitate electronică mai scăzută și o conductivitate ionică mai mare. „Electroliții de clor au devenit din ce în ce mai atractivi, deoarece se oxidează doar la tensiuni înalte, iar unii sunt compatibili din punct de vedere chimic cu cei mai buni catozi pe care îi avem”, a spus Nazar. „Au fost raportate câteva dintre ele recent, dar am conceput unul cu avantaje distincte.”

O cheie chimică a conductivității ionice se află în structura 3D întrecrucișată a materialului numită spinel. Cercetătorii au trebuit să echilibreze două dorințe concurente – să încarce spinelul cu cât mai mulți ioni care transportă sarcina, dar și să lase locurile deschise pentru ca ionii să se deplaseze. „S-ar putea să te gândești la asta ca și cum ai încerca să găzduiești un dans – vrei să vină oamenii, dar nu vrei să fie prea aglomerat”, a spus Nazar.

Potrivit lui Nazar, o situație ideală ar fi ca jumătate din locurile din structura spinelului să fie ocupate cu litiu, în timp ce cealaltă jumătate rămâne deschisă, dar ea a explicat că crearea acestei situații este greu de proiectat.

Pe lângă conductivitatea ionică bună a litiului, Nazar și colegii săi trebuiau să se asigure că electronii nu se puteau mișca cu ușurință prin electrolit pentru a declanșa descompunerea acestuia la tensiune înaltă. „Imaginați-vă un joc de hopscotch”, a spus ea. „Chiar dacă încerci doar să sări de la primul pătrat în al doilea pătrat, dacă poți crea un perete care să îngreuneze electronii, în cazul nostru, să sară peste, acesta este un alt avantaj al acestui electrolit solid. .”

Sumele Nazar a spus că nu este încă clar de ce conductivitatea electronică este mai mică decât mulți electroliți de clorură raportați anterior, dar ajută la stabilirea unei interfețe curate între materialul catodic și electrolitul solid, fapt care este în mare măsură responsabil pentru performanța stabilă chiar și cu un nivel ridicat. de material activ în catod.

.

Leave a Comment