Een van de vele potentiële routes die ons naar de volgende generatie energieopslag voor smartphones, laptops en elektrische voertuigen zouden kunnen leiden, is het gebruik van een elektrolyt in vaste toestand, in plaats van de vloeibare elektrolyten die in de huidige lithiumbatterijen worden gebruikt. Een onderzoeksteam in de VS heeft hiervan een prototypeversie ontwikkeld solid-state batterijen dat enkele van de belangrijkste obstakels op dit gebied overwint en stabiele opslag met hoge capaciteit demonstreert door het gebruik van een nieuw, zelfherstellend materiaal.

In de huidige lithium-ionbatterijen transporteert de vloeibare elektrolyt de lithiumionen heen en weer tussen een paar elektroden terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen. Als de elektrolyt in plaats daarvan uit vaste materialen kan worden gemaakt, kan dit batterijen veiliger maken en een veel grotere energiedichtheid mogelijk maken. In zoverre is aangetoond dat experimentele versies van deze cellen in staat zijn ongeveer het dubbele van de energie op te slaan van de huidige lithium-ionoplossingen.

Het probleem hiermee zijn kleine tentakelachtige formaties, dendrieten genaamd, die de neiging hebben om op het oppervlak van een van de elektroden te groeien terwijl de batterij doorloopt. Deze kleine naalden kunnen er vervolgens voor zorgen dat de batterij kortsluit en defect raakt, of mogelijk in brand vliegt. Het bedenken van een solid-state ontwerp dat dit probleem omzeilt zou dus een grote doorbraak zijn.

De auteurs van deze nieuwe studie, afkomstig van MIT, Texas A&M University, Brown University en Carnegie Mellon University, hebben een veelbelovende oplossing naar voren gebracht. De onderzoekers ontwikkelden een halfvaste metalen elektrode gemaakt van natrium-kaliumlegeringen die ze vergelijken met het materiaal dat tandartsen gebruiken om gaatjes te vullen: stevig, maar in staat om te vloeien en te vormen.

Dit materiaal heeft precies de juiste hoeveelheid meegeven, zodat wanneer het in contact komt met de vaste elektrolyt, het de vorming van kleine scheurtjes vermijdt die normaal gesproken zouden verschijnen in volledig vaste, maar brosse elektrodematerialen, die doorgaans leiden tot de vorming van dendrieten.

“De motivatie hier was om elektroden te ontwikkelen die zijn gebaseerd op zorgvuldig geselecteerde legeringen om zo een vloeibare fase te introduceren die kan dienen als een zelfherstellende component van de metaalelektrode”, zegt Park.

Terwijl de batterij in gebruik is, houden de bedrijfstemperaturen het materiaal in precies de juiste semi-vaste fase om hoge stromen op te vangen, ongeveer 20 keer groter dan bij gebruik van vast lithium, zonder dendrieten te vormen. Hiermee wordt een andere tekortkoming van solid-state batterijen tot nu toe aangepakt, die niet het soort stroomdichtheid mogelijk hebben gemaakt dat opladen tegen praktische snelheden mogelijk zou maken, althans niet zonder de vorming van de dendrieten.

MIT

In een ander ontwerp integreerde de onderzoeker een dunne film van vloeibare natrium-kaliumlegering in de batterij, tussen een vaste elektrode en een vaste elektrolyt. Dit verhinderde ook de vorming van dendrieten, wat een nieuwe interessante weg voor onderzoek opende.

Gesterkt door deze veelbelovende vroege resultaten in hun experimentele ontwerpen, onderzoeken de onderzoekers nu manieren waarop de technologie kan worden toegepast op verschillende solid-state batterij-architecturen, en zijn ze optimistisch over de mogelijkheden.

“We denken dat we deze aanpak kunnen vertalen naar werkelijk elke vaste lithium-ionbatterij”, zegt co-auteur Venkatasubramanian Viswanathan, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University. "We denken dat het onmiddellijk kan worden gebruikt in celontwikkeling voor een breed scala aan toepassingen, van draagbare apparaten tot elektrische voertuigen en elektrische luchtvaart."

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Energie.

Bron: MIT

Afrekenen PrimeXBT
Handel met de officiële CFD-partners van AC Milan
Bron: https://newatlas.com/energy/semisolid-electrode-material-prevent-dendrite-lithium-battery/