Verwacht wordt dat rubber traditionele materialen zal vervangen om het belangrijkste materiaal te worden voor de volgende generatie solid-state batterijen

Om ervoor te zorgen dat elektrische voertuigen (EV's) mainstream worden, hebben ze kosteneffectieve, veiligere en duurzamere batterijen nodig die tijdens het gebruik niet ontploffen of schadelijk zijn voor het milieu. Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben mogelijk een veelbelovend alternatief gevonden voor conventionele lithium-ionbatterijen:rubber.

Elastomeren, of synthetisch rubber, worden veel gebruikt in consumentenproducten en geavanceerde technologieën zoals draagbare elektronica en zachte robots vanwege hun superieure mechanische eigenschappen. De onderzoekers ontdekten dat wanneer het materiaal wordt geformuleerd in een 3D-structuur, het fungeert als een snelweg voor snel lithium-iontransport, met superieure mechanische taaiheid waardoor batterijen langer kunnen opladen en verder kunnen gaan. Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met het Korea Advanced Institute of Science and Technology en is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

In een conventionele lithium-ionbatterij worden de ionen verplaatst door een vloeibare elektrolyt. Dergelijke batterijen zijn echter inherent onstabiel: zelfs de geringste schade kan in elektrolyten lekken, wat kan leiden tot een explosie of brand. Veiligheidsoverwegingen hebben de industrie gedwongen zich te concentreren op solid-state batterijen, die kunnen worden gemaakt met behulp van anorganische keramische materialen of organische polymeren.
"De meeste industrieën zijn gericht op het bouwen van anorganische vaste elektrolyten. Maar ze zijn moeilijk te maken, duur en niet milieuvriendelijk", zegt Seung Woo Lee, universitair hoofddocent aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, die deel uitmaakte van een onderzoeksteam die een op rubber gebaseerd organisch polymeer vond dat superieur was aan andere materialen. Vaste polymeerelektrolyten blijven grote belangstelling trekken vanwege hun lage productiekosten, niet-toxische en zachte eigenschappen. Conventionele polymeerelektrolyten hebben echter niet voldoende ionische geleidbaarheid en mechanische stabiliteit om een ​​betrouwbare werking van solid-state batterijen te garanderen.
Het nieuwe 3D-ontwerp zorgt voor een sprong in energiedichtheid en prestaties
xrubberelektrolyten om veelvoorkomende problemen op te lossen (langzaam transport van lithiumionen en slechte mechanische eigenschappen). De belangrijkste doorbraak was om materialen driedimensionale (3D) onderling verbonden plastic kristallijne fasen te laten vormen in een robuuste rubberen matrix. Deze unieke structuur zorgt voor een hoge ionische geleidbaarheid, uitstekende mechanische eigenschappen en elektrochemische stabiliteit.
De rubberen elektrolyt kan bij lage temperaturen worden gemaakt met behulp van een eenvoudig polymerisatieproces dat een stevige en gladde interface op het elektrode-oppervlak produceert. Deze unieke eigenschappen van de rubberen elektrolyt voorkomen de groei van lithiumdendrieten en zorgen voor een snellere beweging van ionen, waardoor solid-state batterijen betrouwbaar kunnen werken, zelfs bij kamertemperatuur.
Rubber, die overal wordt gebruikt vanwege zijn hoge mechanische eigenschappen, zal ons in staat stellen goedkopere, betrouwbaardere en veiligere batterijen te maken. Een hogere ionengeleiding betekent dat u meer ionen tegelijkertijd kunt verplaatsen en door de specifieke energie en energiedichtheid van deze batterijen te verhogen, kunt u de actieradius van het elektrische voertuig vergroten.

De onderzoekers werken nu aan manieren om de prestaties van de batterij te verbeteren, de cyclustijd te verlengen en de oplaadtijd te verkorten door een betere ionische geleidbaarheid. Tot nu toe hebben hun inspanningen geleid tot twee verbeteringen in batterijprestaties/cyclustijd.

Dit werk zou de reputatie van Georgië als innovatiecentrum voor elektrische voertuigen kunnen versterken. SK Innovation, een wereldwijd energie- en petrochemisch bedrijf, financiert aanvullend onderzoek naar elektrolytmaterialen als onderdeel van de voortdurende samenwerking met het Instituut om solid-state batterijen van de volgende generatie te bouwen die veiliger en energie-intensiever zijn dan traditionele lithium-ionbatterijen. SK Innovation heeft onlangs de bouw aangekondigd van een nieuwe batterijfabriek voor elektrische voertuigen in Commerce, Georgia, die naar verwachting tegen 2023 21,5 gigawattuur aan lithium-ionbatterijen per jaar zal produceren.
All-solid-state batterijen kunnen het aantal kilometers en de veiligheid van elektrische voertuigen aanzienlijk verbeteren. Snelgroeiende batterijbedrijven, waaronder SK Innovation, zien de commercialisering van volledig solid-state batterijen als een gamechanger voor de ev-markt. Kyounghwan Choi, directeur van SK Innovation's Next Generation Battery Research Center, zei: "Er zijn hoge verwachtingen van de snelle toepassing en commercialisering van volledig solid-state batterijen door middel van het lopende project in samenwerking met SK Innovation en professor Seung Woo Lee van Georgia Institute van technologie."