Nieuwe superionisch geleidende elektrolyt zou de stabiliteit van volledig vaste lithium-metaalbatterijen kunnen verbeteren

All-solid-state lithium-metaalbatterijen (LMB’s) zijn veelbelovende oplossingen voor energieopslag die een lithium-metaalanode en solid-state elektrolyten (SSE’s) bevatten, in tegenstelling tot de vloeibare batterijen die in conventionele lithiumbatterijen worden aangetroffen. Hoewel LMB’s in vaste toestand aanzienlijk hogere energiedichtheden zouden kunnen vertonen in vergelijking met lithium-ionbatterijen (LiB’s), zijn de vaste elektrolyten die ze bevatten gevoelig voor dendrietgroei, wat hun stabiliteit en veiligheid vermindert.

Onderzoekers van de Western University in Canada, de Universiteit van Maryland in de Verenigde Staten en andere instituten hebben onlangs een nieuwe vacaturerijke en superionisch geleidende β-Li ontworpen₃N vastestofelektrolyt (SSE). De elektrolyt, onlangs gerapporteerd in een artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiezou een stabiele cyclus van volledig solid-state LMB’s kunnen ondersteunen, waardoor hun commercialisering mogelijk zou worden vergemakkelijkt.

“Het primaire doel van ons werk was het ontwikkelen van lithium-stabiele, superionisch geleidende SSE’s voor volledig solid-state LMB’s, met name gericht op hun toepassing in elektrische voertuigen (EV’s)”, vertelde Weihan Li, eerste auteur van het artikel, aan Phys.org .

“De EV-markt maakt een snelle groei door, maar een belangrijke beperking blijft het korte rijbereik van 500 tot 650 kilometer per oplaadbeurt, voornamelijk als gevolg van de beperkte energiedichtheid (~300 Wh/kg) van conventionele lithium-ionbatterijen. -State lithium-metaalbatterijen vormen een veelbelovende oplossing voor deze uitdaging door het potentieel te bieden om energiedichtheden tot 500 Wh/kg te bereiken, waardoor het rijbereik wordt vergroot tot meer dan 900 kilometer per oplaadbeurt.”

Tot dusver is een belangrijke uitdaging bij de ontwikkeling van volledig solid-state LMB’s het gebrek aan veilige, betrouwbare en goed presterende SSE’s geweest. Het belangrijkste doel van het recente werk van Li en zijn collega’s was het ontwerpen van een nieuwe elektrolyt die een hoge stabiliteit tegen lithiummetaal combineert met een hoge ionische geleidbaarheid.

“Voortbouwend op ons eerdere inzicht in SSE’s hebben we nitriden geïdentificeerd als een klasse materialen die stabiel zijn tegen lithiummetaal”, zegt Li. “Conventionele nitriden vertonen echter een lage ionische geleidbaarheid. Door gebruik te maken van onze kennis van lithiumgeleidingsmechanismen, hebben we een vacature-rijke β-Li ontworpen₃N SSE.”

In de eerste tests werd de nieuwe vacaturerijke β-Li₃N SSE ontworpen door dit team van onderzoekers toonde een 100-voudige verbetering in ionische geleidbaarheid en een grotere stabiliteit aan vergeleken met commerciële Li₃N. Dit veelbelovende materiaal zou dus kunnen helpen de beperkingen te overwinnen die doorgaans gepaard gaan met de ontwikkeling van hoogwaardige, volledig solid-state LMB’s.

“Ons ontwerp van de vacaturerijke β-Li₃N liet zich leiden door inzicht in de geleidingsmechanismen van lithium-ionen, ” zei Li. “Defecten in de kristalstructuur, zoals vacatures, kunnen de energiebarrières voor de migratie van lithium-ionen verminderen en de populatie van mobiele lithiumionen vergroten.”

De onderzoekers synthetiseerden het vacaturerijke β-Li₃N SSE met behulp van een hoogenergetisch kogelmaalproces. Dit proces werd gebruikt om een ​​gecontroleerd aantal vacatures in de structuur van het materiaal te introduceren, wat uiteindelijk de eigenschappen ervan verbeterde.

“De ionische geleidbaarheid van vacature-rijke β-Li₃N is 100 keer groter dan die van commerciële Li₃N”, legt Li uit. “Het vertoont een uitstekende chemische stabiliteit tegen lithiummetaal, waardoor de fabricage van langcyclische, volledig vaste LMB’s mogelijk wordt. Het materiaal vertoont ook een hoge stabiliteit in droge lucht, waardoor het geschikt is voor productie op industriële schaal in droge ruimtes.”

Toen ze hun nieuw ontworpen SSE in een LMB integreerden, bereikten de onderzoekers een ongekende ionische geleidbaarheid voor een SSE, die 2,14 × 10 bereikte.⁻³ Scm⁻¹ bij 25°C. Symmetrische batterijcellen op basis van de elektrolyt bereikten hoge kritische stroomdichtheden tot 45 mA cm⁻²en hoge capaciteiten tot 7,5 mAh cm⁻²evenals ultrastabiele lithiumstrip- en galvaniseringsprocessen gedurende 2.000 cycli.

“Onze studie bereikte een recordbrekende ionische geleidbaarheid en uitzonderlijke stabiliteit met lithiummetaal voor een SSE”, aldus Li. “Deze bevindingen zijn significant omdat ze twee van de meest kritische uitdagingen bij de ontwikkeling van volledig solid-state LMB’s aanpakken.”

Het nieuwe materiaal dat door dit team van onderzoekers is gesynthetiseerd, zou nieuwe opwindende mogelijkheden kunnen openen voor de fabricage van LMB’s die volledig uit vaste stoffen bestaan, waardoor hun energiedichtheid mogelijk wordt verbeterd en het opladen ervan wordt versneld. Deze batterijen kunnen uiteindelijk worden geïntegreerd in elektrische voertuigen en andere grote elektronica, om de levensduur van de batterij te verlengen en de tijd die ze nodig hebben om op te laden te verkorten.

“In de toekomst zal mijn onderzoek zich op twee hoofdrichtingen concentreren”, voegde Li eraan toe. “Aan de ene kant wil ik de resterende grensvlakuitdagingen in volledig solid-state LMB’s aanpakken om de lithium-iongeleiding verder te verbeteren en de levensduur van de batterij te verlengen. Dit omvat diepgaand onderzoek naar grensvlakreactiekinetiek en nieuwe materiaalontwerpen.

“Op technisch vlak ben ik van plan praktische uitdagingen aan te pakken door prototypecellen en buidelcellen op commerciële schaal te ontwikkelen op basis van vacaturerijke β-Li₃N. Dit omvat het optimaliseren van het materiaal voor grootschalige productie en het integreren ervan in functionele batterijsystemen die geschikt zijn voor toepassingen in de echte wereld.