Gummi förväntas ersätta traditionella material för att bli nyckelmaterialet för nästa generations solid state-batterier

För att elfordon (EV) ska bli vanliga behöver de kostnadseffektiva, säkrare och mer hållbara batterier som inte exploderar eller skadar miljön under användning. Forskare vid Georgia Institute of Technology kan ha hittat ett lovande alternativ till konventionella litiumjonbatterier:sudd.

Elastomerer, eller syntetiskt gummi, används i stor utsträckning i konsumentprodukter och avancerad teknologi som bärbar elektronik och mjuka robotar på grund av deras överlägsna mekaniska egenskaper. Forskarna fann att när materialet formuleras till en 3D-struktur, fungerar det som en motorväg för snabb litiumjontransport, med överlägsen mekanisk seghet som gör att batterier kan laddas längre och gå längre. Forskningen utfördes i samarbete med Korea Advanced Institute of Science and Technology och publiceras i tidskriften Nature.

I ett konventionellt litiumjonbatteri förflyttas jonerna av en flytande elektrolyt. Sådana batterier är dock i sig instabila: även den minsta skada kan läcka in i elektrolyter, vilket leder till en explosion eller brand. Säkerhetsproblem har tvingat industrin att fokusera på solid state-batterier, som kan tillverkas av oorganiska keramiska material eller organiska polymerer.
"De flesta industrier är fokuserade på att bygga oorganiska fasta elektrolyter. Men de är svåra att tillverka, dyra och inte miljövänliga", säger Seung Woo Lee, docent vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering som ingick i ett forskarlag. som fann en gummibaserad organisk polymer överlägsen andra material. Fasta polymerelektrolyter fortsätter att locka stort intresse på grund av deras låga tillverkningskostnad, giftfria och mjuka egenskaper. Konventionella polymerelektrolyter har emellertid inte tillräcklig jonledningsförmåga och mekanisk stabilitet för att säkerställa tillförlitlig drift av solid state-batterier.
Den nya 3D-designen ger ett språng i energitäthet och prestanda
Georgia Tech ingenjörer användssuddelektrolyter för att lösa vanliga problem (långsam litiumjontransport och dåliga mekaniska egenskaper). Det viktigaste genombrottet var att tillåta material att bilda tredimensionella (3D) sammankopplade plastkristallina faser i en robust gummimatris. Denna unika struktur ger hög jonledningsförmåga, utmärkta mekaniska egenskaper och elektrokemisk stabilitet.
Gummielektrolyten kan tillverkas vid låga temperaturer med en enkel polymerisationsprocess som ger en fast och jämn gränsyta på elektrodytan. Dessa unika egenskaper hos gummielektrolyten förhindrar tillväxten av litiumdendriter och tillåter snabbare rörelse av joner, vilket gör att solid state-batterier fungerar tillförlitligt även vid rumstemperatur.
Sudd, som används överallt för sina höga mekaniska egenskaper, gör det möjligt för oss att tillverka billigare, mer pålitliga och säkrare batterier. Högre jonledningsförmåga innebär att du kan flytta fler joner samtidigt, och genom att öka den specifika energin och energitätheten för dessa batterier kan du öka elfordonets räckvidd.

Forskarna arbetar nu med sätt att förbättra batteriets prestanda, öka dess cykeltid och minska laddningstiden genom bättre jonledningsförmåga. Hittills har deras ansträngningar resulterat i två förbättringar av batteriprestanda/cykeltid.

Detta arbete kan förbättra Georgiens rykte som ett innovationsnav för elfordon. SK Innovation, ett globalt energi- och petrokemiskt företag, finansierar ytterligare forskning om elektrolytmaterial som en del av sitt pågående samarbete med Institutet för att bygga nästa generations solid state-batterier som är säkrare och mer energikrävande än traditionella litiumjonbatterier. SK Innovation tillkännagav nyligen byggandet av en ny batterifabrik för elfordon i Commerce, Georgia, som förväntas producera 21,5 gigawattimmar litiumjonbatterier per år till 2023.
Heltäckande batterier kan avsevärt förbättra körsträckan och säkerheten för elfordon. Snabbväxande batteriföretag, inklusive SK Innovation, ser kommersialiseringen av helsolid-state-batterier som en game changer för ev-marknaden. Kyounghwan Choi, chef för SK Innovations Next Generation Battery Research Center, sa: "Det finns stora förhoppningar om snabb tillämpning och kommersialisering av helfasta batterier genom det pågående projektet i samarbete med SK Innovation och professor Seung Woo Lee från Georgia Institute av teknik."