Nieuw ontwerp van elektrolyt toont belofte voor langdurigere lithium-metaalbatterijen.

18 augustus 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud hebben gewaarborgd:

• gecontroleerde feiten
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• nagelezen

door Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Lithium-metaal batterijen zouden aanzienlijk hogere energiedichtheden kunnen vertonen dan lithium-ion batterijen, die momenteel de belangrijkste batterijtechnologie op de markt zijn. Toch hebben lithium-metaal cellen vaak significante beperkingen, waarvan de meest opvallende een korte levensduur is.

Onderzoekers van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China en andere instituten hebben onlangs een nieuw elektrolyt-ontwerp geïntroduceerd dat kan worden gebruikt om zeer presterende lithium-metaal pouch cellen te ontwikkelen met een langere levensduur. Dit elektrolyt, gepresenteerd in een paper in Nature Energy, heeft een unieke nanometerschaal oplosstructuur, met paren van ionen dicht opeengepakt in compacte ionenpaar-aggregaten (CIPA).

'De belangrijkste doelstellingen van ons recente werk zijn om de praktische toepassingen van lithium-metaal batterijen aanzienlijk te versnellen en diepgaande mechanismen van dit complexe systeem te bieden,' zei prof. Shuhong Jiao, medeauteur van de paper, tegen Tech Xplore.

'Li-metaal batterijen zijn het heilige graal van het batterijveld en worden gezien als een veelbelovende nieuwe generatie batterijtechniek, omdat ze een ultra-hoge energiedichtheid hebben, theoretisch >500 Wh/kg. Dit is meer dan 2 keer zoveel vergeleken met de huidige lithium-ion batterijen die de batterijmarkt domineren, wat betekent dat als we lithium-ion batterijen kunnen vervangen door lithium-metaal batterijen, het bereik van elektrische voertuigen per lading kan worden verdubbeld.'

Lithium-metaal batterijen die tot op heden geïntroduceerd zijn, hebben een sterk beperkte cyclusduur van ongeveer 50 cycli, wat aanzienlijk lager is dan die van commerciële lithium-ion batterijen, die meestal hun goede prestaties gedurende ongeveer 1.000 cycli kunnen behouden. De redenen achter deze lagere levensduur zijn de groei van lithium dendrieten, de hoge reactieve eigenschappen van lithium-metaal en de kathoden van overgangsmetalen met hoge spanning, die gezamenlijk de constante degradatie van het elektrolyt bevorderen.

'Ondanks de uitgebreide inspanningen van onderzoekers over de hele wereld, is de prestatie van lithium-metaal batterijen nog steeds verre van bevredigend (>500 Wh/kg, 1.000 cycli),' zei prof. Jiao. 'De belangrijkste oorzaak is dat de interfaces tussen elektrolyt en elektroden (d.w.z. de anode-elektrolyt interface en de kathode-elektrolyt interface) niet volledig gestabiliseerd kunnen worden zoals in het geval van lithium-ion batterijen. Tijdens de werking van de batterij treedt nog steeds constant en ernstige elektrolytdegradatie op.'

Circa vijf jaar geleden ontwierpen prof. Jiao en haar collega's een elektrolyt die tegelijkertijd de anode-elektrolyt en kathode-elektrolyt interfaces in lithium-metaal batterijcellen kan stabiliseren, waardoor de degradatie van het elektrolyt wordt onderdrukt. Hun elektrolyt-ontwerp bouwt voort op vroege onderzoeken naar microscopische fysisch-chemische processen in lithium-metaal batterijen.

'Een elektrolyt is een belangrijk onderdeel van lithium-metaal batterijen, omdat het de chemie/structuur van SEI kan aanpassen en zo het plateringsgedrag van lithium-metaal kan sturen, wat uiteindelijk de prestatie van de batterij dicteert,' legde prof. Jiao uit.

'Voor praktische toepassingsdoeleinden hebben we geprobeerd dit te realiseren door goedkope componenten te gebruiken. Het talloze werk van andere onderzoekers op dit gebied heeft ons ook veel geïnspireerd, omdat zij veel nieuwe klassen elektrolyten hebben geïntroduceerd zoals sterk geconcentreerde elektrolyten, gelokaliseerde hoog-geconcentreerde elektrolyten, zwak-oplossende elektrolyten en vloeibaar-gas elektrolyten, etc.'

Voor dit recente onderzoek werkten prof. Jiao en haar onderzoeksgroep samen met andere teams die theoretische berekeningen konden uitvoeren en elektrolyten op microscopische schaal konden karakteriseren. Hun gezamenlijke inspanningen resulteerden uiteindelijk in het ontwerpen van een nieuwe klasse elektrolyten die de levensduur van lithium-metaal batterijen kunnen verlengen.

De door hen ontworpen elektrolyten zijn gemaakt van commercieel verkrijgbare en betaalbare moleculen. Hun kenmerkende eigenschap is hun unieke oplosstructuur.

'De oplosstructuur is een cruciale inherente eigenschap van een elektrolyt, omdat het het interfaciegedrag van de elektrolyt bestuurt, zoals zijn interfaciale reactiemechanisme dat de vorming van SEI controleert en dus de chemie en structuur van de SEI,' aldus prof. Jiao.

'De structuur van de elektrolytische solvatatie is tot nu toe intensief aangepast op het microscopische niveau in de wetenschappelijke peer-reviewed literatuur, met name de eerste solvathuls van het lithiumion, maar de structurele afstemming voorbij deze schaal, namelijk de tweede solvathuls en verder, wordt grotendeels over het hoofd gezien.'

Het recente onderzoek van professor Jiao en haar collega's heeft de afstemming van de solvatatiestructuur van een elektrolyt op mesoscopisch niveau gepionierd. Hun unieke ontwerp richt zich specifiek op de interactie tussen ionenparen die de vorming van de geaggregeerde structuur van de elektrolyt ondersteunen.

'Onze elektrolyt bevat grote compacte aggregaten, die worden gevormd door het dichte verpakken van lithium-anion ionenparen met coördinatiebinding tussen elkaar, wat we definiëren als het 'compacte ionenpaar-aggregate (CIPA),' zei professor Jiao. 'Dit staat in schril contrast met de dominantie van kleine aggregaten en afzonderlijke ionenparen in de gelokaliseerde hooggeconcentreerde elektrolyt, een state-of-the-art elektrolytklasse met toonaangevende batterijprestaties tot op heden, wat een nieuwe weg opent voor elektrolytontwerp.'

Het nieuwe door dit onderzoeksteam ontworpen elektrolyt vertoont een unieke collectieve reductie op de lithium-metalen anode. Dit betekent dat wolken van anionen in de CIPA-structuur snel worden verminderd (d.w.z. afgebroken) op het oppervlak van het lithium, waarbij anorganische verbindingen zoals Li2O en LiF worden gevormd, evenals een dunne en stabiele SEI, die op zijn beurt de constante ontbinding van de elektrolyt onderdrukt.

'Dankzij het unieke collectieve elektronentransportgedrag vormt onze elektrolyt een dunne en conforme SEI met een laag organisch gehalte en rijk aan anorganische componenten met een gelijkmatige verdeling, wat de homogene lithiumionenflux binnen de SEI kan bevorderen en een dendrietvrije lithiumafzetting,' zei professor Jiao. 'Dit leidt tot een homogene en compacte lithiumafzetting, waardoor de specifieke oppervlakken van de lithium-metalen anode afnemen om de ontbinding van de elektrolyt verder te onderdrukken.'

Bovendien vertoont de nieuw ontworpen elektrolyt van de onderzoekers tegelijkertijd een goede oxidatieve stabiliteit en onderdrukt het de oplossing van overgangsmetaalelementen van de kathode, waardoor de stabiliteit van de kathode-interface wordt verbeterd. De stabilisatie van deze interface, samen met die van de lithium-elektrolyt-interface, bleek te leiden tot stabiel cyclen gedurende een langere periode.

'De mesoscopische solvatatiestructuur die we in ons artikel introduceren, leidt tot een nieuwe klasse elektrolyten, wat een nieuwe weg opent voor het elektrolytontwerp van lithium-metalen batterijen,' aldus professor Jiao.

Om het potentieel van hun nieuw ontworpen elektrolyt te beoordelen, gebruikten de onderzoekers het om een 500 Wh/kg lithium-metalen pouch-cel te creëren. In eerste tests bleek deze cel 91% van zijn energie te behouden na 130 cycli. In de toekomst zou dit nieuwe elektrolytontwerp kunnen worden gereproduceerd en getest door andere onderzoekers over de hele wereld, om verder het potentieel te beoordelen voor het verlengen van de levensduur van lithium-metalen batterijen.

'We zijn nu van plan om de levensduur van 500 Wh/kg lithium-metalen pouch-cellen verder te verlengen tot meer dan 1.000 cycli,' voegde professor Jiao eraan toe. 'Aan de andere kant blijven we het nieuwe batterijsysteem verkennen om een veel hogere energiedichtheid te realiseren met een lange levensduur, zoals ≥ 600 Wh/kg met 100-200 cycli. Al deze fundamentele wetenschappelijke onderzoeken zijn waardevol om de implementatie van lithium-metalen batterijen in veel situaties te realiseren.'

Meer informatie: Yulin Jie et al, Towards long-life 500 Wh kg−1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01565-z

© 2024 Science X Network