Anodevrije batterijen verdubbelen het EV-rijbereik met behulp van nieuwe elektrolyttechnologie

Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie (POSTECH), Pohang, Korea

Schematische illustratie en buidelcel van omkeerbare, door de gastheer ontworpen elektrolyt met zijn cyclusprestaties. (Afbeelding:de onderzoekers)

Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van professor Soojin Park en dr. Dong-Yeob Han van de afdeling scheikunde van POSTECH, samen met professor Nam-Soon Choi en dr. Saehun Kim van KAIST, en professor Tae Kyung Lee en onderzoeker Junsu Son van de Gyeongsang National University, heeft met succes een volumetrische energiedichtheid van 1270 Wh/L bereikt in een anodevrije lithium-metaalbatterij. Deze waarde is bijna tweemaal zo hoog als die van de lithium-ionbatterijen die momenteel in elektrische voertuigen worden gebruikt en die doorgaans ongeveer 650 Wh/L leveren. De prestatie werd gepubliceerd in Advanced Materials.

Een anodevrije lithium-metaalbatterij elimineert de conventionele anode helemaal. In plaats daarvan bewegen de in de kathode opgeslagen lithiumionen tijdens het opladen en zetten zich direct af op een koperen stroomcollector. Door onnodige componenten te verwijderen, kan er meer interne ruimte worden besteed aan energieopslag, net zoals er meer brandstof in een tank van dezelfde grootte past. Dit ontwerp brengt echter serieuze uitdagingen met zich mee. Als lithium zich ongelijkmatig afzet, kunnen zich scherpe naaldachtige structuren vormen, bekend als dendrieten, waardoor het risico op kortsluiting en potentiële veiligheidsrisico's toeneemt. Herhaaldelijk opladen en ontladen kan ook het lithiumoppervlak beschadigen, waardoor de levensduur van de batterij snel wordt verkort.

Om deze problemen aan te pakken, heeft het onderzoeksteam een dubbele strategie gevolgd, waarbij een omkeerbare gastheer (RH) en een ontworpen elektrolyt (DEL) worden gecombineerd. De omkeerbare gastheer bestaat uit een polymeerraamwerk ingebed met uniform verdeelde zilveren (Ag) nanodeeltjes, waardoor lithium zich op aangewezen locaties kan afzetten in plaats van willekeurig. Simpel gezegd fungeert het als een speciale parkeerplaats voor lithium, waardoor een geordende en uniforme afzetting wordt gegarandeerd.

De ontworpen elektrolyt verbetert de stabiliteit verder door een dunne maar robuuste beschermende laag te vormen bestaande uit Li₂O en Li₃N op het lithiumoppervlak. Deze laag functioneert als een verband op de huid en voorkomt schadelijke dendrietgroei terwijl open routes voor lithium-iontransport behouden blijven.

Gecombineerd leverde het RH–DEL-systeem uitstekende prestaties. Onder hoge capaciteit (4,6 mAh cm -2 ) en stroomdichtheid (2,3 mA cm -2 ), behield de batterij na 100 cycli 81,9 procent van zijn initiële capaciteit en behaalde een gemiddelde Coulomb-efficiëntie van 99,6 procent. Dankzij deze resultaten kon het team de recordbrekende volumetrische energiedichtheid van 1270 Wh/L bereiken in anodevrije lithium-metaalbatterijen.

Belangrijk is dat deze prestaties niet alleen zijn gevalideerd in kleine laboratoriumcellen, maar ook in zakbatterijen, die dichter bij toepassingen in elektrische voertuigen in de echte wereld staan. Zelfs met een minimale hoeveelheid elektrolyt (E/C =2,5 g Ah -1 ) en onder lage stapeldruk (20 kPa) werkten de batterijen stabiel. Dit toont een groot potentieel aan om het gewicht en volume van de batterij te verminderen en tegelijkertijd de productielasten te verlagen, waardoor de commerciële levensvatbaarheid aanzienlijk wordt verbeterd.

Professor Soojin Park merkte op:“Dit werk vertegenwoordigt een betekenisvolle doorbraak door tegelijkertijd problemen met de efficiëntie en levensduur van anodevrije lithium-metaalbatterijen aan te pakken.” Professor Tae Kyung Lee voegde hieraan toe:“Ons onderzoek toont aan dat een elektrolytontwerp op basis van in de handel verkrijgbare oplosmiddelen zowel een hoge lithium-ionmobiliteit als grensvlakstabiliteit kan bereiken.”

Neem voor meer informatie contact op met Nam-Soon Choi op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..