Para ilmuwan menemukan elektrolit baru untuk baterai lithium-ion solid-state — ScienceDaily

Bahan baterai baru menawarkan janji untuk pengembangan baterai solid.

Dalam pencarian baterai yang sempurna, para ilmuwan memiliki dua tujuan utama: membuat perangkat yang dapat menyimpan banyak energi dan melakukannya dengan aman. Banyak baterai mengandung elektrolit cair, yang berpotensi mudah terbakar.

Akibatnya, baterai lithium-ion solid-state, yang terdiri dari komponen yang seluruhnya padat, menjadi semakin menarik bagi para ilmuwan karena mereka menawarkan kombinasi yang menarik dari keamanan yang lebih tinggi dan kepadatan energi yang meningkat — yaitu berapa banyak energi yang dapat disimpan oleh baterai. volume tertentu.

Para peneliti dari University of Waterloo, Kanada, yang tergabung dalam Pusat Penelitian Penyimpanan Energi Bersama (JCESR), yang berkantor pusat di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE), telah menemukan elektrolit padat baru yang menawarkan beberapa keuntungan penting.

Elektrolit ini, terdiri dari litium, skandium, indium, dan klorin, menghantarkan ion litium dengan baik tetapi elektronnya buruk. Kombinasi ini penting untuk menciptakan baterai solid-state yang berfungsi tanpa kehilangan kapasitas secara signifikan selama lebih dari seratus siklus pada tegangan tinggi (di atas 4 volt) dan ribuan siklus pada tegangan menengah. Sifat klorida dari elektrolit adalah kunci stabilitasnya pada kondisi operasi di atas 4 volt — yang berarti cocok untuk bahan katoda tipikal yang membentuk andalan sel ion litium saat ini.

“Daya tarik utama elektrolit solid-state adalah tidak dapat terbakar, dan memungkinkan penempatan yang efisien di sel baterai; kami senang menunjukkan operasi tegangan tinggi yang stabil,” kata Linda Nazar, Profesor Riset Terhormat. Kimia di UWaterloo dan anggota lama JCESR.

Iterasi saat ini elektrolit solid-state sangat fokus pada sulfida, yang mengoksidasi dan menurunkan di atas 2,5 volt. Oleh karena itu, mereka memerlukan penggabungan lapisan isolasi di sekitar bahan katoda yang beroperasi di atas 4 volt, yang mengganggu kemampuan elektron dan ion litium untuk berpindah dari elektrolit dan masuk ke katoda.

“Dengan elektrolit sulfida, Anda memiliki semacam teka-teki – Anda ingin mengisolasi elektrolit secara elektronik dari katoda sehingga tidak teroksidasi, tetapi Anda masih memerlukan konduktivitas elektronik dalam bahan katoda,” kata Nazar.

Sementara kelompok Nazar bukanlah yang pertama merancang elektrolit klorida, keputusan untuk menukar setengah dari indium dengan skandium berdasarkan pekerjaan mereka sebelumnya terbukti menjadi pemenang dalam hal konduktivitas ionik yang lebih rendah dan elektronik yang lebih tinggi. “Elektrolit klorida menjadi semakin menarik karena hanya teroksidasi pada tegangan tinggi, dan beberapa secara kimiawi kompatibel dengan katoda terbaik yang kita miliki,” kata Nazar. “Ada beberapa dari mereka yang dilaporkan baru-baru ini, tetapi kami merancang satu dengan keunggulan yang berbeda.”

Salah satu kunci kimiawi konduktivitas ionik terletak pada struktur 3D silang material yang disebut spinel. Para peneliti harus menyeimbangkan dua keinginan yang bersaing — untuk memuat spinel dengan ion pembawa muatan sebanyak mungkin, tetapi juga membiarkan tempat terbuka bagi ion untuk bergerak. “Anda mungkin menganggapnya seperti mencoba menjadi pembawa acara dansa — Anda ingin orang-orang datang, tetapi Anda tidak ingin terlalu ramai,” kata Nazar.

Menurut Nazar, situasi yang ideal adalah setengah dari situs dalam struktur spinel ditempati lithium sementara setengah lainnya tetap terbuka, tetapi dia menjelaskan bahwa menciptakan situasi itu sulit untuk dirancang.

Selain konduktivitas ionik lithium yang baik, Nazar dan rekan-rekannya perlu memastikan bahwa elektron tidak dapat bergerak dengan mudah melalui elektrolit untuk memicu dekomposisi pada tegangan tinggi. “Bayangkan permainan hopscotch,” katanya. “Bahkan jika Anda hanya mencoba melompat dari kotak pertama ke kotak kedua, jika Anda dapat membuat dinding yang menyulitkan elektron, dalam kasus kami, untuk melompati, itu adalah keuntungan lain dari elektrolit padat ini. “

Nazar mengatakan bahwa belum jelas mengapa konduktivitas elektronik lebih rendah daripada banyak elektrolit klorida yang dilaporkan sebelumnya, tetapi ini membantu membangun antarmuka yang bersih antara bahan katoda dan elektrolit padat, fakta yang sebagian besar bertanggung jawab atas kinerja yang stabil bahkan dengan jumlah yang tinggi. bahan aktif di katoda.

.

Leave a Comment