Naučnici otkrili obećavajući novi elektrolit za čvrste litijum-jonske baterije

U potrazi za savršenom baterijom, naučnici imaju dva osnovna cilja: da naprave uređaj koji može da skladišti veliku količinu energije i da to uradi bezbedno.

Novi materijal za baterije obećava razvoj potpuno čvrstih baterija

Mnoge baterije sadrže tečne elektrolite, koji su potencijalno zapaljivi. Kao rezultat toga, čvrste litijum-jonske baterije, koje se sastoje od potpuno čvrstih komponenti, postaju sve privlačnije naučnicima, jer nude primamljivu kombinaciju veće bezbednosti i povećane gustine energije – što je mera za količinu energije koju baterija može da uskladišti za dati obim. Istraživači sa Univerziteta Vaterlo, Kanada, koji su članovi Zajedničkog centra za istraživanje skladištenja energije (Joint Center for Energy Storage Research – JCESR), otkrili su novi čvrsti elektrolit koji nudi nekoliko važnih prednosti.

Ovaj elektrolit, sastavljen od litijuma, skandijuma, indijuma i hlora, dobro provodi litijumove jone, ali slabo elektrone. Ova kombinacija je od suštinske važnosti za stvaranje potpuno čvrste baterije koja funkcioniše bez značajnog gubitka kapaciteta za preko stotinu ciklusa na visokom naponu (iznad 4 volta) i hiljadama ciklusa na srednjem naponu. Hloridna priroda elektrolita je ključna za njegovu stabilnost pri radnim uslovima iznad 4 volta – što znači da je pogodan za tipične katodne materijale koji čine oslonac današnjih litijum-jonskih ćelija. Glavna atrakcija elektrolita u čvrstom stanju je to što se ne može zapaliti i omogućava efikasno postavljanje u ćeliju baterije; sa zadovoljstvom smo demonstrirali stabilan rad visokog napona, rekla je Linda Nazar, istraživač hemije na Univerzitetu Vaterlo i dugogodišnji član JCESR-a.

Trenutne iteracije elektrolita u čvrstom stanju se u velikoj meri fokusiraju na sulfide, koji oksidiraju i razgrađuju iznad 2,5 volti. Zbog toga zahtevaju ugradnju izolacionog premaza oko katodnog materijala koji radi iznad 4 volta, što narušava sposobnost elektrona i litijum jona da se kreću iz elektrolita u katodu. Sa sulfidnim elektrolitima imate neku vrstu zagonetke – želite da elektronski izolujete elektrolit od katode tako da ne oksidira, ali vam je i dalje potrebna elektronska provodljivost u materijalu katode. Hloridni elektroliti su postali sve privlačniji jer oksidiraju samo pri visokim naponima, a neki su hemijski kompatibilni sa najboljim katodama koje postoje Jedan hemijski ključ za jonsku provodljivost leži u ukrštenoj 3D strukturi materijala koja se zove spinel.

Istraživači su morali da izbalansiraju dve suprotstavljene želje – da natovare spinel sa što više jona koji nose naelektrisanje, ali i da ostave otvorena mesta za kretanje jona. Idealna situacija bi bila da polovina mesta u strukturi spinela bude zauzeta litijumom, dok druga polovina ostane otvorena. Pored dobre jonske provodljivosti litijuma, naučnici su morali da se uvere da se elektroni ne mogu lako kretati kroz elektrolit kako bi pokrenuli njegovo raspadanje na visokom naponu. Još nije jasno zašto je elektronska provodljivost niža od mnogih ranije prijavljenih hloridnih elektrolita, ali pomaže da se uspostavi čist interfejs između materijala katode i čvrstog elektrolita, činjenica koja je u velikoj meri odgovorna za stabilne performanse čak i sa velikim količinama aktivnog materijala u katodi.

Izvor: Scitechdaily