Gummi forventes at erstatte traditionelle materialer for at blive nøglematerialet til den næste generation af solid state-batterier

2022-05-09

For at elektriske køretøjer (EV'er) kan blive mainstream, har de brug for omkostningseffektive, sikrere og længerevarende batterier, der ikke eksploderer eller skader miljøet under brug. Forskere ved Georgia Institute of Technology kan have fundet et lovende alternativ til konventionelle lithium-ion-batterier:gummi.

Elastomerer, eller syntetisk gummi, er meget udbredt i forbrugerprodukter og avancerede teknologier såsom bærbar elektronik og bløde robotter på grund af deres overlegne mekaniske egenskaber. Forskerne fandt ud af, at når materialet er formuleret til en 3D-struktur, fungerer det som en motorvej til hurtig lithium-ion-transport med overlegen mekanisk sejhed, der gør det muligt for batterier at oplade længere og gå længere. Forskningen er udført i samarbejde med Korea Advanced Institute of Science and Technology og er publiceret i tidsskriftet Nature.

I et konventionelt lithium-ion-batteri flyttes ionerne af en flydende elektrolyt. Sådanne batterier er imidlertid i sagens natur ustabile: Selv den mindste skade kan lække ind i elektrolytter, hvilket fører til en eksplosion eller brand. Sikkerhedsbekymringer har tvunget industrien til at fokusere på solid state-batterier, som kan fremstilles ved hjælp af uorganiske keramiske materialer eller organiske polymerer.
"De fleste industrier er fokuseret på at bygge uorganiske faste elektrolytter. Men de er svære at lave, dyre og ikke miljøvenlige," siger Seung Woo Lee, en lektor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, som var en del af et forskerhold. der fandt en gummibaseret organisk polymer overlegen i forhold til andre materialer. Faste polymerelektrolytter tiltrækker fortsat stor interesse på grund af deres lave fremstillingsomkostninger, ikke-toksiske og bløde egenskaber. Konventionelle polymerelektrolytter har imidlertid ikke tilstrækkelig ionisk ledningsevne og mekanisk stabilitet til at sikre pålidelig drift af solid state-batterier.
Det nye 3D-design bringer et spring i energitæthed og ydeevne
Georgia Tech ingeniører brugtgummielektrolytter til at løse almindelige problemer (langsom lithiumiontransport og dårlige mekaniske egenskaber). Det vigtigste gennembrud var at tillade materialer at danne tredimensionelle (3D) indbyrdes forbundne plastikkrystallinske faser i en robust gummimatrix. Denne unikke struktur bringer høj ionisk ledningsevne, fremragende mekaniske egenskaber og elektrokemisk stabilitet.
Gummielektrolytten kan fremstilles ved lave temperaturer ved hjælp af en simpel polymerisationsproces, der giver en fast og glat grænseflade på elektrodeoverfladen. Disse unikke egenskaber af gummielektrolytten forhindrer væksten af ​​lithiumdendritter og tillader hurtigere bevægelse af ioner, hvilket gør det muligt for solid state-batterier at fungere pålideligt selv ved stuetemperatur.
x, der bruges overalt på grund af dets høje mekaniske egenskaber, vil gøre os i stand til at lave billigere, mere pålidelige og sikrere batterier. Højere ionledningsevne betyder, at du kan flytte flere ioner på samme tid, og ved at øge den specifikke energi og energitæthed af disse batterier, kan du øge rækkevidden af ​​det elektriske køretøj.

Forskerne arbejder nu på måder at forbedre batteriets ydeevne på, øge dets cyklustid og reducere opladningstiden gennem bedre ionisk ledningsevne. Indtil videre har deres indsats resulteret i to forbedringer i batteriets ydeevne/cyklustid.

Dette arbejde kunne styrke Georgiens omdømme som et innovationsknudepunkt for elektriske køretøjer. SK Innovation, en global energi- og petrokemisk virksomhed, finansierer yderligere forskning i elektrolytmaterialer som en del af sit igangværende samarbejde med instituttet om at bygge næste generation solid-state batterier, der er sikrere og mere energikrævende end traditionelle lithium-ion batterier. SK Innovation annoncerede for nylig opførelsen af ​​et nyt batterianlæg til elektriske køretøjer i Commerce, Georgia, som forventes at producere 21,5 gigawatt-timer lithium-ion-batterier om året i 2023.
All-solid-state batterier kunne i høj grad forbedre kilometertal og sikkerhed for elektriske køretøjer. Hurtigt voksende batterivirksomheder, herunder SK Innovation, ser kommercialiseringen af ​​hel-solid-state batterier som en game changer for ev-markedet. Kyounghwan Choi, direktør for SK Innovations Next Generation Battery Research Center, sagde: "Der er store forhåbninger til den hurtige anvendelse og kommercialisering af all-solid-state batterier gennem det igangværende projekt i samarbejde med SK Innovation og professor Seung Woo Lee fra Georgia Institute af teknologi."