Ny elektrolytdesign visar lovande resultat för lithiummetallbatterier med längre livslängd

18 augusti 2024 inslag

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläs

av Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Litium-metallbatterier kan uppvisa betydligt högre energitätheter än litiumjonbatterier, som är den primära batteriteknologin på marknaden idag. Ändå har litium-metallceller också vanligtvis betydande begränsningar, varav den mest anmärkningsvärda är en kort livslängd.

Forskare vid University of Science and Technology i Kina och andra institut introducerade nyligen en ny elektrolytdesign som kan användas för att utveckla högpresterande litiummetallpåsceller med längre livslängd. Denna elektrolyt, som presenteras i en artikel i Nature Energy, har en unik lösningsstruktur i nanometerskala, med jonpar tätt packade till kompakta jonparaggregat (CIPA).

"De primära målen för vårt senaste arbete är att markant påskynda de praktiska tillämpningarna av litium-metallbatterier och erbjuda djupa mekanistiska förståelser av detta komplicerade system," sa professor Shuhong Jiao, medförfattare till tidningen, till Tech Xplore.

"Li-metallbatterier är batterifältets heliga gral och ses som en lovande nästa generations batteriteknik, eftersom de har ultrahög energitäthet, teoretiskt >500 Wh/kg. Detta är mer än 2-faldigt jämfört med dagens litiumjonbatterier som dominerar batterimarknaden, vilket innebär att om vi kan ersätta litiumjonbatterier med litiummetallbatterier kan utbudet av elfordon fördubblas per laddning.'

Hittills introducerade litiummetallbatterier har en mycket begränsad cykellivslängd på cirka 50 cykler, vilket är betydligt lägre än för kommersiella litiumjonbatterier, som vanligtvis kan behålla sin goda prestanda i cirka 1 000 cykler. Orsakerna bakom denna lägre livslängd är tillväxten av litiumdendriter, den höga reaktiviteten hos litiummetall- och högspänningsövergångsmetallkatoder, som tillsammans föranleder den konstanta nedbrytningen av elektrolyten.

"Trots de omfattande ansträngningarna från forskare runt om i världen är prestandan för litium-metallbatterier fortfarande långt ifrån tillfredsställande (>500 Wh/kg, 1 000 cykler)," sa prof. Jiao. "Den primära orsaken är att gränssnitten mellan elektrolyt och elektroder (d.v.s. anod-elektrolyt-gränssnittet och katod-elektrolytgränssnittet) inte kan stabiliseras helt som i fallet med litiumjonbatterier. Konstant och allvarlig nedbrytning av elektrolyt sker fortfarande under batteridrift.'

För ungefär fem år sedan designade Prof. Jiao och hennes kollegor en elektrolyt som samtidigt kan stabilisera anod-elektrolyt- och katod-elektrolytgränssnitt i litium-metallbattericeller, vilket undertrycker elektrolytens nedbrytning. Deras elektrolytdesign bygger på tidiga undersökningar av mikroskopiska fysikalisk-kemiska processer inuti litium-metallbatterier.

"En elektrolyt är en nyckelkomponent i litiummetallbatterier, eftersom den kan ställa in kemin/strukturen hos SEI och på så sätt styra pläteringsbeteendet hos litiummetall, vilket så småningom dikterar batteriets prestanda", förklarade prof. Jiao.

”För praktiska tillämpningsändamål försökte vi förverkliga detta genom att använda billiga komponenter. De otaliga verken av andra forskare inom detta område inspirerade oss också mycket, eftersom de introducerade många nya klasser av elektrolyter som högkoncentrerad elektrolyt, lokaliserad högkoncentrerad elektrolyt, svagsolvaterande elektrolyt och elektrolyt av flytande gas, etc.'

För att genomföra denna nyligen genomförda studie slog Prof. Jiao och hennes forskargrupp ihop med andra team som kunde utföra teoretiska beräkningar och som kunde karakterisera elektrolyter i mikroskopisk skala. Deras samarbete ledde slutligen till designen av en ny klass av elektrolyter som kan förlänga livslängden för litium-metallbatterier.

Elektrolyterna de designade är gjorda av kommersiellt tillgängliga och prisvärda molekyler. Deras utmärkande drag är deras unika lösningsstruktur.

"Lösningsstrukturen är en avgörande inneboende egenskap hos en elektrolyt, eftersom den styr elektrolytens gränsytbeteende, som dess gränsytareaktionsmekanism som styr bildandet av SEI och därmed SEI-kemin och strukturen", sa prof. Jiao.

"Strukturen för elektrolytsolvatisering har skräddarsytts intensivt på mikroskopisk nivå i den vetenskapliga peer-reviewed litteraturen hittills, särskilt litiumjonens första solvatiseringsskal, men den strukturella justeringen bortom denna skala, nämligen det andra solvatiseringsskalet och därefter, förbises till stor del. .'