Een nieuwe solid-state batterij verrast de onderzoekers van LG Energy Solution

Ingenieurs creëren een hoogwaardige volledig solid-state batterij met een anode van puur silicium

Seoul, Zuid-Korea, September 23, 2021 /PRNewswire/ — Ingenieurs hebben een nieuw type batterij gemaakt dat twee veelbelovende batterijsubvelden in een enkele batterij verweeft. De batterij maakt gebruik van zowel een vastestofelektrolyt als een volledig siliciumanode, waardoor het een volledig siliciumhoudende vastestofbatterij is. De eerste testrondes tonen aan dat de nieuwe batterij veilig, duurzaam en energierijk is. Het is veelbelovend voor een breed scala aan toepassingen, van netopslag tot elektrische voertuigen.

De batterijtechnologie wordt beschreven in de 24 september, 2021 uitgave van het tijdschrift Wetenschap. University of California San Diego nanoengineers leidde het onderzoek, in samenwerking met onderzoekers van LG Energy Solution.

Siliciumanoden staan bekend om hun energiedichtheid, die 10 keer groter is dan de grafietanodes die het meest worden gebruikt in de huidige commerciële lithium-ionbatterijen. Aan de andere kant zijn siliciumanoden berucht om hoe ze uitzetten en krimpen als de batterij wordt opgeladen en ontladen, en om hoe ze degraderen met vloeibare elektrolyten. Deze uitdagingen hebben ervoor gezorgd dat volledig siliciumanodes uit commerciële lithium-ionbatterijen zijn gehouden, ondanks de verleidelijke energiedichtheid. Het nieuwe werk gepubliceerd in Wetenschap biedt een veelbelovend pad voorwaarts voor volledig siliciumanodes, dankzij de juiste elektrolyt.

"Met deze batterijconfiguratie openen we een nieuw gebied voor solid-state batterijen met behulp van gelegeerde anodes zoals silicium," zei Darren HS Tan, de hoofdauteur van het papier. Hij voltooide onlangs zijn doctoraat in de chemische technologie aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en was mede-oprichter van een startup UNIGRID Battery die deze technologie in licentie heeft gegeven.

De volgende generatie solid-state batterijen met hoge energiedichtheid hebben altijd vertrouwd op metallisch lithium als anode. Maar dat legt beperkingen op aan de oplaadsnelheden van de batterij en de noodzaak van een verhoogde temperatuur (meestal 60 graden Celsius of hoger) tijdens het opladen. De siliciumanode overwint deze beperkingen, waardoor veel snellere laadsnelheden mogelijk zijn bij kamertemperatuur tot lage temperaturen, terwijl de hoge energiedichtheid behouden blijft.

Het team demonstreerde een volledige cel op laboratoriumschaal die 500 laad- en ontlaadcycli levert met 80% capaciteitsbehoud bij kamertemperatuur, wat een opwindende vooruitgang betekent voor zowel de siliciumanode- als de solid-state batterijgemeenschap.

Silicium als anode ter vervanging van grafiet

Siliciumanoden zijn natuurlijk niet nieuw. Decennialang hebben wetenschappers en batterijfabrikanten naar silicium gekeken als een energierijk materiaal om te mengen in, of volledig te vervangen, conventionele grafietanodes in lithium-ionbatterijen. Theoretisch biedt silicium ongeveer tien keer de opslagcapaciteit van grafiet. In praktijk, lithium-ionbatterijen waaraan silicium aan de anode is toegevoegd om de energiedichtheid te verhogen, hebben echter doorgaans te maken met prestatieproblemen in de praktijk: met name het aantal keren dat de batterij kan worden opgeladen en ontladen met behoud van de prestaties is niet hoog genoeg.

Een groot deel van het probleem wordt veroorzaakt door de interactie tussen siliciumanoden en de vloeibare elektrolyten waaraan ze zijn gekoppeld. De situatie wordt gecompliceerd door de grote volume-expansie van siliciumdeeltjes tijdens het laden en ontladen. Dit leidt in de loop van de tijd tot ernstige capaciteitsverliezen.

“Als batterijonderzoekers is het essentieel om de wortelproblemen in het systeem aan te pakken. Voor siliciumanoden weten we dat een van de grote problemen de instabiliteit van de vloeistof-elektrolytinterface is, "zei UC San Diego nanoengineering professor Shirley Meng, de corresponderende auteur op de Wetenschap paper en directeur van het Institute for Materials Discovery and Design aan de UC San Diego. "We hadden een totaal andere aanpak nodig", zei Meng.

Het door UC San Diego geleide team koos inderdaad een andere benadering: ze elimineerden de koolstof en de bindmiddelen gingen met volledig siliciumanoden. Daarnaast gebruikten de onderzoekers micro-silicium, dat minder bewerkt en goedkoper is dan het vaker gebruikte nano-silicium.

Een volledig solid-state oplossing

Naast het verwijderen van alle koolstof en bindmiddelen uit de anode, verwijderde het team ook de vloeibare elektrolyt. In plaats daarvan gebruikten ze een op sulfide gebaseerde vaste elektrolyt. Hun experimenten toonden aan dat deze vaste elektrolyt extreem stabiel is in batterijen met volledig siliciumanoden.

"Dit nieuwe werk biedt een veelbelovende oplossing voor het siliciumanodeprobleem, hoewel er meer werk aan de winkel is", zei professor Shirley Meng, "Ik zie dit project als een validatie van onze benadering van batterijonderzoek hier bij UC San Diego. We combineren het meest rigoureuze theoretische en experimentele werk met creativiteit en out-of-the-box denken. We weten ook hoe we moeten communiceren met industriële partners terwijl we moeilijke fundamentele uitdagingen aangaan.”

Eerdere inspanningen om voornamelijk anoden van siliciumlegeringen te commercialiseren gericht op silicium-grafietcomposieten, of door nanogestructureerde deeltjes te combineren met polymere bindmiddelen. Maar ze zijn nog steeds worstelde met een slechte stabiliteit.

Door de vloeibare elektrolyt te verwisselen voor een vaste elektrolyt en tegelijkertijd de koolstof en bindmiddelen uit de silicium anode vermeden de onderzoekers een reeks gerelateerde uitdagingen die zich voordoen wanneer anoden worden gedrenkt in de organische vloeibare elektrolyt terwijl de batterij functioneert.

Tegelijkertijd heeft het team, door de koolstof in de anode te elimineren, het grensvlakcontact (en ongewenste nevenreacties) met de vaste elektrolyt aanzienlijk verminderd, waardoor continu capaciteitsverlies wordt vermeden dat typisch optreedt bij op vloeistof gebaseerde elektrolyten.

Door deze tweedelige stap konden de onderzoekers ten volle profiteren van de voordelen van lage kosten, hoge energie en milieuvriendelijke eigenschappen van silicium.

Impact & spin-off commercialisering

“De solid-state siliciumbenadering overwint veel beperkingen in conventionele batterijen. Het biedt spannende kansen voor ons om te voldoen aan de vraag van de markt naar hogere volumetrische energie, lagere kosten en veiligere batterijen, vooral voor energieopslag in het elektriciteitsnet,” zei Darren HS Tan, de eerste auteur op Wetenschap de krant.

Op sulfide gebaseerde vaste elektrolyten werden vaak als zeer onstabiel beschouwd. Dit was echter gebaseerd op traditionele thermodynamische interpretaties die worden gebruikt in vloeibare elektrolytsystemen, die geen rekening hielden met de uitstekende kinetische stabiliteit van vaste elektrolyten. Het team zag een kans om deze contra-intuïtieve eigenschap te gebruiken om een zeer stabiele anode te creëren.

Tan is de CEO en medeoprichter van een startup, UNIGRID Battery, die de technologie voor deze silicium solid-state batterijen in licentie heeft gegeven.

Tegelijkertijd zullen verwante fundamentele werkzaamheden worden voortgezet bij UC San Diego, inclusief aanvullende onderzoekssamenwerking met LG Energy Solution.

“LG Energy Solution is verheugd dat het laatste onderzoek naar batterijtechnologie met UC San Diego in het tijdschrift van Wetenschap, een betekenisvolle erkenning”, zegt Myung-hwan Kim, President en Chief Procurement Officer bij LG Energy Solution. "Met de nieuwste bevinding is LG Energy Solution veel dichter bij het realiseren van all-solid-state batterijtechnieken, wat ons assortiment batterijproducten enorm zou diversifiëren."

"Als toonaangevende batterijfabrikant zal LGES zich blijven inspannen om geavanceerde technieken te bevorderen in toonaangevend onderzoek naar batterijcellen van de volgende generatie", voegde Kim eraan toe. LG Energy Solution zei dat het van plan is om de samenwerking op het gebied van onderzoek naar solid-state batterijen met UC San Diego verder uit te breiden.

Het onderzoek werd ondersteund door de open innovatie van LG Energy Solution, een programma dat batterijgerelateerd onderzoek actief ondersteunt. LGES heeft met onderzoekers over de hele wereld samengewerkt om verwante technieken te bevorderen.

Papieren titel
"Koolstofvrije hoogbelastende siliciumanoden mogelijk gemaakt door sulfide-vaste elektrolyten", in de September 24, 2021 kwestie van Science.

auteurs
Darren HS Tan, Yu-Ting Cheno, Hedi Yang, Wurigumula Bao, Bhagath Sreenarayanan, Jean-Marie Doux, Weikang Li, Bingyu Lu, So-Yeon Ham, Baharak Sayahpour, Jonathan Schärf, Erik A.Wu, Grayson Deysher, Zheng Chen en Ying Shirley Meng van de afdeling NanoEngineering, Programma Chemische Technologie en Sustainable Power & Energy Center (SPEC) University of California San Diego Jacobs School of Engineering; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, van LG Energy Solution, Ltd.

Financiering
Deze studie werd financieel ondersteund door het bedrijf LG Energy Solution via het Battery Innovation Contest (BIC)-programma. ZC erkent financiering uit de start-upfondssteun van de Jacob School of Engineering at University of California San Diego. YSM erkent de financieringssteun van het Zable Endowed Chair Fund.

Over LG Energy Solution
LG Energy Solution is een wereldleider die geavanceerde lithium-ionbatterijen levert voor elektrische voertuigen (EV), mobiliteits- en IT-toepassingen en energieopslagsystemen (ESS). Met 30 jaar ervaring in geavanceerde batterijtechnologie blijft het snel groeien naar de realisatie van duurzaam leven. Met meer dan 24,000 medewerkers die werken binnen het robuuste wereldwijde netwerk dat de VS omspant, Europa, Azië en Australië, is LG Energy Solution meer dan ooit toegewijd aan het ontwikkelen van innovatieve technologieën die de toekomstige energie een stap dichterbij zullen brengen. Ga voor meer informatie naar https://www.lgensol.com.

BRON LG Energy-oplossing