Gränssnittet mellan elektroder och elektrolyter bidrar i hög grad till den effektivitet med vilken batterier omvandlar energi. Under de senaste åren har många försök att utveckla batterier med bättre prestanda fokuserat på att skräddarsy elektrod/elektrolytgränssnittet för att öka energitätheten hos laddningsbara batterier, särskilt litium-metallbatterier (LMB).
LMB är lovande batterilösningar som integrerar litiummetallanoder i stället för de grafitbaserade anoder som vanligtvis används i litiumjonbatterier (LiB). Jämfört med LiB-batterier kan dessa batterier ha betydligt högre energitäthet och snabbare laddningshastigheter.
Trots detta har många av de LMB som hittills utvecklats betydande begränsningar, t.ex. höga tillverkningskostnader, låg coulombisk effektivitet och tillväxt av Li-dendriter under laddning. Li dendriter är trädliknande Li metallbaserade strukturer som kan bildas på ytan av anoderna medan ett batteri laddas, vilket ökar risken för överhettning och potentiella bränder, samtidigt som det minskar batteriets prestanda.
En möjlig lösning för att övervinna denna viktiga begränsning hos LMB är att reglera Li+-solvationsstrukturen och utforma nya elektrolyter för att underlätta bildandet av den fasta elektrolytinterfasen (SEI) och stabilisera elektrod/elektrolytgränssnittet. Många studier har fokuserat på dessa mål, men väldigt få har undersökt hur den dielektriska miljön i batterier bidrar till att stabilisera/de-stabilisera detta gränssnitt.
Forskare vid Zhejiang University och andra institut i Kina genomförde nyligen en studie som utforskade denna forskningsfråga. I deras artikel, som publicerades i Nature Energy, beskrivs ett dielektriskt protokoll som kan bidra till att lösa några av de problem som är förknippade med LMB, vilket potentiellt kan förbättra deras säkerhet och tillförlitlighet.
”I takt med att marknaderna för elfordon och energilagring fortsätter att växa kommer efterfrågan på LIB att fortsätta öka”, säger Xiulin Fan, medförfattare till artikeln, till TechXplore. ”Men för att uppnå en ekonomi med låga koldioxidutsläpp eller en koldioxidfri ekonomi behöver vi batterier som presterar bättre än dagens LIB-batterier. Detta kräver en energilagringsteknik med en energitäthet som är högre än 500 Wh/kg, vilket skulle kunna driva elektriska enheter mycket längre på en enda laddning jämfört med LIB-batterier. Litiummetallbatterier (LMB) med metallelektroder istället för grafitelektroder har fångat vår uppmärksamhet, men dessa batterier står inför problem med för tidig död både i laboratoriet och i industrin. Vårt huvudmål var därför att utveckla LMB-batterier med lång livslängd och hög energitäthet.”
Det tillvägagångssätt för att utforma LMB som presenteras i forskarnas artikel tar hänsyn till effekterna av det elektriska fältet vid gränssnittet, som kan moduleras via batteriets dielektrikum, på elektrod/elektrolyt-interfasen. Genom att reglera det dielektriska medium som används i batterier säkerställer deras protokoll integriteten hos katjon-anjon-koordinationen, vilket möjliggör bildandet av SEI från exponeringen av den anjonrika elektrolyten för ett elektriskt fält i gränssnittet.
”Det dielektriska protokollet kräver att katjon-anjonparen placeras i ett icke-solvatiserande lösningsmedel med hög dielektrisk konstant, vilket kan skydda katjon-anjonparen från att dissocieras av det elektriska fältet”, förklarar Fan. ”Detta bildar en anjonrik region nära elektrod-elektrolytgränssnittet. En sådan gränssnittskonfiguration kan prioritera anjonnedbrytningen vid gränssnittet och därigenom ge robust gränssnittskemi till Li-avlagringar i Li-metallpåsceller.”
”Vid laddade gränssnitt arrangeras katjon-anjonpar i en periodisk oscillerande distribution”, skrev Zhang, Li och deras kollegor. ”En låg svängningsamplitud förvärrar elektrolytnedbrytningen och ökar ytimpedansen. Vi föreslår ett dielektriskt protokoll som upprätthåller katjon-anjon-koordinering med en hög svängningsamplitud vid gränssnitten, vilket löser dessa problem.”
Med hjälp av det nyligen föreslagna protokollet skapade teamet en ultratunn elektrolyt (1 g Ah-1), som de testade i litium-metallceller. De resulterande påscellerna visade sig ha en anmärkningsvärd energitäthet på 500 Wh kg-1.
”Det här arbetet visar den rumsliga fördelningen av anjoner och katjoner på gränssnittet mellan den laddade elektroden och elektrolyten”, säger Fan. ”Det gör att vi kan justera gränssnittets egenskaper genom att skräddarsy elektrolytens sammansättning, vilket kan förbättra batteriets prestanda.”
Andra forskargrupper kan snart komma att inspireras av forskargruppens dielektriskt medierade metod för att framställa andra lovande elektrolyter för LMB. Sammantaget kan dessa ansträngningar bidra till utvecklingen av mer tillförlitliga batterilösningar med hög densitet.
”Den höga energitätheten hos litium-metallbatterier kan leda till allvarliga säkerhetsrisker som bränder och explosioner”, tillägger Fan. ”Vårt framtida arbete syftar till att förbättra cykelstabiliteten hos litium-metallbatterier under realistiska förhållanden för att uppnå en energilagringsteknik som kombinerar både hög energitäthet och säkerhet.”
För mer information: Shuoqing Zhang et al, Oscillatory solvation chemistry for a 500 Wh kg-1 Li-metal pouch cell, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01621-8.
