Uusi polyeetterielektrolyytti kiinteän olomuodon akuille

South China Normal Universityn tutkijat ovat kehittäneet uuden polymeerielektrolyytin, joka mahdollistaa litiummetalliakkujen turvallisen toiminnan korkeilla jännitteillä ja äärimmäisillä lämpötiloilla, -40 °C:sta 55 °C:seen.

Materiaali ratkaisee suoraan kaksi pitkäaikaista estettä seuraavan sukupolven energian varastoinnille: huonon hapettumiskestävyyden ja riittämättömän ionijohtavuuden. Säätelemällä elektrolyytin molekyylirakennetta ja luomalla silloitetun verkon, tiimi saavutti poikkeuksellisen sähkökemiallisen vakauden ja nopean ionikuljetuksen.

Tämä edistysaskel tuo suuren energiatiheyden omaavat litiummetalliakut huomattavasti lähemmäksi käytännön sovelluksia.

Olemassa olevat in situ -polymeroidut polyeetterielektrolyytit, kuten 1,3-dioksolaanipohjaiset, hajoavat nopeasti, kun niitä käytetään yhdessä korkeajännitteisten katodien kanssa, ja ne toimivat huonosti matalissa lämpötiloissa.

Näiden haasteiden voittamiseksi kiinalaisten tutkijaryhmä raportoi uudesta silloitetusta poly(tetrahydrofuraani)elektrolyytistä.

Julkaistut löydökset esittelevät in situ -polymerointistrategian, joka muuntaa nestemäiset esiasteet kiinteän olomuodon elektrolyytiksi suoraan akun sisällä varmistaen täydellisen elektrodin kostutuksen ja yhteensopivuuden olemassa olevien litiumioniakkujen valmistuslinjojen kanssa.

Tiimin kolmen kohdan suunnitelma ratkaisee samanaikaisesti kolme pullonkaulaa. Ensinnäkin he korvasivat perinteisen monomeerin yhdisteellä, jolla on korkeampi hiili-happi-suhde. Tämä molekyylisäätö nosti elektrolyytin hapettumiskestävyyden 4,9 volttiin.

Toiseksi he ottivat käyttöön etyleeniglykolidiglysidyylieetterin (GDE) ristisilloittimena eli kolmiulotteisena verkostona, mikä nostaa ionijohtavuuden dramaattisesti 3,3 mS/cm:iin.

Kolmanneksi erityinen suojakerros estää tehokkaasti loisreaktioita ja vakauttaa katodirakenteen syklin aikana. Yllätyksenä tutkijoille se ei vain käynnistä polymerointia, vaan se rakentaa suojaavan panssarin molemmille elektrodeille. Tämä yhdistetty strategia lopulta rikkoo vakauden ja johtavuuden välisen kompromissin.

Tuloksena oleva silloitettu poly(THF)-elektrolyytti mahdollisti nikkelirikkailla NCM811 (LiNi 0.8Co 0.1Mn 0.1O2)- ja LCO (LiCoO2)-katodeilla varustettujen litiummetalliakkujen vakaan syklin erittäin korkealla 4,5 voltin katkaisujännitteellä satojen syklien ajan minimaalisella kapasiteettihäviöllä.

Kun tiimi jatkaa silloitinkemian ja rajapinnan koostumuksen optimointia, tätä suunnittelufilosofiaa voitaisiin laajentaa muihin kiinteän olomuodon akkujärjestelmiin, mukaan lukien natriumpohjaiset tai litium-rikki-kemiat, mikä mahdollisesti laajentaa vaikutusta litiummetalliteknologian ulkopuolelle.

Aiheesta aiemmin:

Ionogeeli voisi varastoida energiaa turvallisesti ja kestävästi

Kohti anoditonta kiintoaineakkua