ETRI, DGIST Ontwikkel nieuwe elektrodestructuur voor all-solid-state secundaire batterij

- Dec 04, 2020-

Bron: scienmag.com


IMAGE

Krediet: Electronics and Telecommunications Research Institute(ETRI)


Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben een nieuw type elektrodestructuur ontwikkeld voor alle secundaire batterijen met alle vaste toestand. Als deze technologie wordt aangenomen, zou de energiedichtheid van de batterijen aanzienlijk kunnen toenemen in vergelijking met bestaande technologieën, wat enorm bijdraagt aan de ontwikkeling van hoogwaardige secundaire batterijen.


Een gezamenlijk onderzoeksteam van Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) en Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) kondigde aan dat het een nieuwe elektrodestructuur had ontworpen voor alle secundaire batterijen met alle vaste toestand na het identificeren van het mechanisme van facile lithium-ion diffusie tussen actieve materialen. De prestatie kreeg internationale erkenning toen de resultaten werden gepubliceerd door de ACS Energy Letters, een internationaal online wetenschappelijk tijdschrift gespecialiseerd in de energiesector dat wordt beheerd door de American Chemical Society (ACS)*.


In tegenstelling tot primaire cellen die slechts één keer kunnen worden gebruikt en nooit kunnen worden hergebruikt, kunnen secundaire batterijen herhaaldelijk worden opgeladen en gebruikt. Met de recente vooruitgang in elektronische apparaten, het belang van secundaire batterij technologie voor robots, elektrische auto's, energie-opslagsystemen (ESS), en drones groeit jaar na jaar.


All-solid-state secundaire batterij is een next-generation energie-opslag apparaat dat een solide elektrolyt gebruikt om ionen te vervoeren binnen batterij elektroden. Vaste elektrolyten zijn veiliger dan vloeibare elektrolyten die brand kunnen veroorzaken. Bovendien kunnen vaste elektrolyten worden geïmplementeerd in een bipolaire secundaire cel* om de energiedichtheid te verhogen door een eenvoudige batterijconfiguratie.


De elektrodestructuur van een conventionele secundaire cel met all-solid-state bestaat uit een vaste elektrolyt die verantwoordelijk is voor ionische geleiding, een geleidend additief dat de middelen voor elektronengeleiding biedt; actief materiaal dat verantwoordelijk is voor de opslag van energie; en een bindmiddel dat deze samenstellende delen fysiek en chemisch vasthoudt.


ETRI-onderzoekers ontdekten echter door systematische experimenten dat ionen zelfs tussen grafietactieve materiaaldeeltjes worden getransporteerd. En ze stelden een nieuw type elektrodestructuur voor all-solid-state secundaire cel, bestaande uit alleen het actieve materiaal en het bindmiddel. De onderzoekers bevestigden de mogelijkheid dat zelfs zonder een solide elektrolytadditief in de elektroden, de prestaties van een all-solid-state secundaire cel superieur zouden kunnen zijn.


De theoretische haalbaarheid van de door ETRI voorgestelde nieuwe structuur werd bij DGIST geverifieerd door middel van elektrochemische tests (met behulp van een supercomputer) van een virtueel model. ETRI-onderzoekers slaagden erin deze structuur aan te tonen in een echt experiment. ETRI noemde deze technologie 'diffusieafhankelijk all-solid-state elektrode' en legde een paper voor aan een internationaal tijdschrift.


Als de technologie van ETRI wordt aangenomen, zal vast geleidingsadditiefmateriaal overbodig worden in de elektrode; in plaats daarvan kan het actievere materiaal in hetzelfde volume worden geperst. Met andere woorden, de hoeveelheid actief materiaal in de elektrode kan met maximaal 98wt%* toenemen en als gevolg daarvan kan de energiedichtheid* 1,5 keer groter worden gemaakt dan de conventionele grafietcomposietelecrode elektrode.


De technologie biedt ook voordelen in productieprocesaspecten. Sulfide-type vaste elektrolyten*, die een hoge ionengeleidbaarheid en matige plasticiteit hebben, worden beschouwd als een uitstekende kandidaat voor de fabricage van all-solid-state batterijen. Maar vanwege de hoge chemische reactiviteit*, de sulfide-type vaste elektrolyten laat batterij ontwikkelaars met zeer weinig opties als het gaat om oplosmiddelen en bindmiddelen. In tegenstelling, met de nieuwe ETRI-elektrode, kunnen ontwikkelaars vrij het type oplosmiddel en bindmiddel selecteren dat in de batterij moet worden gebruikt, omdat de elektrode geen vaste elektrolyten bevat die zeer reactief zijn. Dit stelt onderzoekers ook in staat om nieuwe benaderingen na te streven om de prestaties van alle solid-state secundaire cellen te verbeteren.


Dr Young-Gi Lee, die betrokken was bij dit onderzoek, zei: "We hebben voor het eerst onthuld dat ionen kunnen worden verspreid alleen met actieve materialen. We zijn niet langer gebonden aan de structuur die wordt gebruikt in bestaande alle solid-state secundaire cellen. We zijn van plan om secundaire cellen te ontwikkelen met zelfs hoge energiedichtheden, met behulp van deze technologie. We zullen ook onze rechten op de kerntechnologie veiligstellen en werken aan een versie die gecommercialiseerd zou kunnen worden."


Hoewel ETRI haar onderzoek heeft uitgevoerd met behulp van grafiethopode actief materiaal, is het van plan om haar onderzoek voort te zetten op basis van hetzelfde concept, met behulp van verschillende andere elektrode materialen. Het is ook van plan om de technologie te verbeteren om de efficiëntie te verhogen. Dit kan worden bereikt door het elimineren van de interfaciale problemen tussen elektroden en het uitdunnen van het volume van elektroden.