Achtergrond:
Onderzoekers van het Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, hebben een belangrijke doorbraak bereikt in volledig-vastestof lithiumbatterijen, wat mogelijk de droom van kleinere elektronische apparaten met een langere batterijduur realiseert. Deze vooruitgang werd op 31 juli gepubliceerd in het internationale academische tijdschrift Nature Energy.
Lithium-ion batterijen die worden gebruikt in mobiele telefoons, computers en andere elektronische apparaten slaan voornamelijk energie op en geven deze af via vloeibare elektrolyten. Wetenschappers onderzoeken nu een nieuw batterijtype: volledig-vastestof lithiumbatterijen. Deze gebruiken vaste elektrolyten in plaats van vloeistoffen, waardoor ze aanzienlijk veiliger zijn.
Hoewel volledig-vastestof lithiumbatterijen ideaal lijken, staat hun ontwikkeling voor uitdagingen. In de eerste plaats maken de verschillende chemische en fysische eigenschappen van materialen in de kathode van de batterij perfecte compatibiliteit moeilijk, wat leidt tot meerdere interfaceproblemen die de energiedichtheid en levensduur aantasten. Om dit aan te pakken, ontwikkelde het onderzoeksteam een nieuw materiaal: een gehomogeniseerd kathodemateriaal (lithium titanium germanium fosfoselenide).
Vergeleken met conventionele materialen biedt deze verbinding voordelen, waaronder een hoge elektrische geleidbaarheid, hoge energiedichtheid en een langere levensduur:
Hoge elektrische geleidbaarheid:Dit nieuwe materiaal vertoont zowel een hoge ionische als elektronische geleidbaarheid, die traditionele batterijmaterialen (gelaagde oxide kathodes) met meer dan 1000 keer overtreft. Dit maakt soepele laad- en ontlaadprocessen mogelijk zonder afhankelijk te zijn van geleidende additieven, waardoor de algehele batterijprestaties aanzienlijk worden verbeterd.
Hoge ontlaadcapaciteit:Het nieuwe materiaal vertoont een hoge ontlaadcapaciteit van 250 mAh per gram, wat de momenteel gebruikte kathodematerialen met hoog nikkelgehalte overtreft. Bij een gelijk gewicht of volume kunnen batterijen die dit materiaal bevatten meer elektrische energie opslaan. Dit maakt niet alleen een langere continue werking mogelijk zonder frequent opladen, waardoor de duurzaamheid wordt verbeterd, maar vermindert ook de batterijgrootte, wat de ontwikkeling van compactere apparaten vergemakkelijkt.
Kleine volumeverandering:Tijdens laad- en ontlaadcycli vertoont het nieuwe materiaal een volumeverandering van slechts 1,2%, aanzienlijk lager dan de 50% die wordt waargenomen bij conventionele gelaagde oxide kathodematerialen. Deze minimale volumeverandering helpt de structurele stabiliteit te behouden, waardoor de operationele levensduur van de batterij wordt verlengd.
Hoge energiedichtheid:Volledig-vastestof lithiumbatterijen die dit nieuwe materiaal gebruiken, bereiken een energiedichtheid van 390 Wh/kg, wat een 1,3-voudige toename vertegenwoordigt ten opzichte van eerder gerapporteerde volledig-vastestof lithiumbatterijen met lange cycli.
Verlengde levensduur:Volledig-vastestof lithiumbatterijen die dit materiaal gebruiken, bereiken meer dan 10.000 cycli. Na 5.000 laadcycli behoudt de batterij 80% van zijn initiële capaciteit, wat voldoende stroom levert voor langere periodes.
Dit onderzoek biedt cruciale technische ondersteuning voor de ontwikkeling van energieopslagapparaten met een hoge energiedichtheid en lange levensduur, en biedt veilige en duurzame energiebronnen voor nieuwe energievoertuigen, energieopslagnetwerken en diepzee-/diepteruimteapparatuur. Het heeft aanzienlijke implicaties voor de vooruitgang van nieuwe energieopslagsystemen.