Gummi forventes å erstatte tradisjonelle materialer for å bli nøkkelmaterialet for neste generasjon solid state-batterier

For at elektriske kjøretøyer (EV-er) skal bli mainstream, trenger de kostnadseffektive, tryggere og langvarige batterier som ikke eksploderer eller skader miljøet under bruk. Forskere ved Georgia Institute of Technology kan ha funnet et lovende alternativ til konvensjonelle litiumionbatterier:gummi.

Elastomerer, eller syntetisk gummi, er mye brukt i forbrukerprodukter og avanserte teknologier som bærbar elektronikk og myke roboter på grunn av deres overlegne mekaniske egenskaper. Forskerne fant at når materialet er formulert til en 3D-struktur, fungerer det som en motorvei for rask litiumiontransport, med overlegen mekanisk seighet som lar batteriene lade lenger og gå lenger. Forskningen ble utført i samarbeid med Korea Advanced Institute of Science and Technology og er publisert i tidsskriftet Nature.

I et konvensjonelt litiumionbatteri blir ionene flyttet av en flytende elektrolytt. Imidlertid er slike batterier iboende ustabile: selv den minste skade kan lekke inn i elektrolytter, noe som kan føre til en eksplosjon eller brann. Sikkerhetshensyn har tvunget industrien til å fokusere på solid state-batterier, som kan lages ved hjelp av uorganiske keramiske materialer eller organiske polymerer.
"De fleste industrier er fokusert på å bygge uorganiske faste elektrolytter. Men de er vanskelige å lage, dyre og ikke miljøvennlige," sier Seung Woo Lee, en førsteamanuensis ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering som var en del av et forskerteam som fant en gummibasert organisk polymer som er overlegen andre materialer. Faste polymerelektrolytter fortsetter å tiltrekke seg stor interesse på grunn av deres lave produksjonskostnader, ikke-toksiske og myke egenskaper. Konvensjonelle polymerelektrolytter har imidlertid ikke tilstrekkelig ionisk ledningsevne og mekanisk stabilitet for å sikre pålitelig drift av solid state-batterier.
Den nye 3D-designen gir et sprang i energitetthet og ytelse
Georgia Tech-ingeniører bruktgummielektrolytter for å løse vanlige problemer (langsom litiumiontransport og dårlige mekaniske egenskaper). Nøkkelgjennombruddet var å tillate materialer å danne tredimensjonale (3D) sammenkoblede plastkrystallinske faser i en robust gummimatrise. Denne unike strukturen gir høy ionisk ledningsevne, utmerkede mekaniske egenskaper og elektrokjemisk stabilitet.
Gummielektrolytten kan lages ved lave temperaturer ved å bruke en enkel polymerisasjonsprosess som gir et fast og glatt grensesnitt på elektrodeoverflaten. Disse unike egenskapene til gummielektrolytten forhindrer vekst av litiumdendritter og tillater raskere bevegelse av ioner, noe som gjør at solid state-batterier kan fungere pålitelig selv ved romtemperatur.
Gummi, brukt overalt på grunn av sine høye mekaniske egenskaper, vil gjøre oss i stand til å lage billigere, mer pålitelige og sikrere batterier. Høyere ioneledningsevne betyr at du kan flytte flere ioner samtidig, og ved å øke den spesifikke energien og energitettheten til disse batteriene kan du øke rekkevidden til det elektriske kjøretøyet.

Forskerne jobber nå med måter å forbedre batteriets ytelse, øke syklustiden og redusere ladetiden gjennom bedre ionisk ledningsevne. Så langt har innsatsen deres resultert i to forbedringer i batteriytelse/syklustid.

Dette arbeidet kan styrke Georgias rykte som et innovasjonssenter for elektriske kjøretøy. SK Innovation, et globalt energi- og petrokjemisk selskap, finansierer ytterligere forskning på elektrolyttmaterialer som en del av sitt pågående samarbeid med instituttet for å bygge neste generasjons solid-state-batterier som er sikrere og mer energikrevende enn tradisjonelle litium-ion-batterier. SK Innovation kunngjorde nylig byggingen av et nytt batterianlegg for elektriske kjøretøy i Commerce, Georgia, som forventes å produsere 21,5 gigawattimer med litiumionbatterier i året innen 2023.
All-solid-state batterier kan i stor grad forbedre kjørelengden og sikkerheten til elektriske kjøretøy. Hurtigvoksende batteriselskaper, inkludert SK Innovation, ser kommersialiseringen av hel-solid-state-batterier som en game changer for ev-markedet. Kyounghwan Choi, direktør for SK Innovation's Next Generation Battery Research Center, sa: "Det er store forhåpninger om rask bruk og kommersialisering av hel-solid-state batterier gjennom det pågående prosjektet i samarbeid med SK Innovation og professor Seung Woo Lee fra Georgia Institute av teknologi."