Gummi wird voraussichtlich traditionelle Materialien ersetzen und zum Schlüsselmaterial für die nächste Generation von Festkörperbatterien werden

Damit Elektrofahrzeuge (EVs) zum Mainstream werden, brauchen sie kostengünstige, sicherere und langlebigere Batterien, die während des Gebrauchs nicht explodieren oder die Umwelt belasten. Forscher des Georgia Institute of Technology haben möglicherweise eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien gefunden:Gummi.

Elastomere oder synthetischer Kautschuk werden aufgrund ihrer überlegenen mechanischen Eigenschaften häufig in Konsumgütern und fortschrittlichen Technologien wie tragbarer Elektronik und Softrobotern verwendet. Die Forscher fanden heraus, dass das Material, wenn es zu einer 3D-Struktur formuliert wird, als Superautobahn für den schnellen Lithiumionentransport fungiert, mit überlegener mechanischer Zähigkeit, die es Batterien ermöglicht, länger aufzuladen und weiter zu fahren. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit dem Korea Advanced Institute of Science and Technology durchgeführt und in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

In einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie werden die Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten bewegt. Solche Batterien sind jedoch von Natur aus instabil: Selbst die kleinste Beschädigung kann in Elektrolyte austreten und zu einer Explosion oder einem Brand führen. Sicherheitsbedenken haben die Industrie gezwungen, sich auf Festkörperbatterien zu konzentrieren, die aus anorganischen keramischen Materialien oder organischen Polymeren hergestellt werden können.
„Die meisten Industrien konzentrieren sich auf den Bau anorganischer Festelektrolyte. Aber sie sind schwer herzustellen, teuer und nicht umweltfreundlich“, sagt Seung Woo Lee, außerordentlicher Professor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, der Teil eines Forschungsteams war die herausfanden, dass ein organisches Polymer auf Kautschukbasis anderen Materialien überlegen ist. Feste Polymerelektrolyte ziehen aufgrund ihrer niedrigen Herstellungskosten, ungiftigen und weichen Eigenschaften weiterhin großes Interesse auf sich. Herkömmliche Polymerelektrolyte haben jedoch keine ausreichende Ionenleitfähigkeit und mechanische Stabilität, um einen zuverlässigen Betrieb von Festkörperbatterien sicherzustellen.
Das neuartige 3D-Design bringt einen Sprung in Energiedichte und Leistung
Ingenieure von Georgia Tech verwendetGummiElektrolyte zur Lösung häufiger Probleme (langsamer Transport von Lithiumionen und schlechte mechanische Eigenschaften). Der entscheidende Durchbruch bestand darin, Materialien zu ermöglichen, dreidimensional (3D) miteinander verbundene kristalline Kunststoffphasen in einer robusten Gummimatrix zu bilden. Diese einzigartige Struktur bringt eine hohe Ionenleitfähigkeit, hervorragende mechanische Eigenschaften und elektrochemische Stabilität.
Der Gummielektrolyt kann bei niedrigen Temperaturen unter Verwendung eines einfachen Polymerisationsverfahrens hergestellt werden, das eine feste und glatte Grenzfläche auf der Elektrodenoberfläche erzeugt. Diese einzigartigen Eigenschaften des Kautschukelektrolyten verhindern das Wachstum von Lithiumdendriten und ermöglichen eine schnellere Bewegung von Ionen, sodass Festkörperbatterien selbst bei Raumtemperatur zuverlässig arbeiten können.
Gummi, das wegen seiner hohen mechanischen Eigenschaften überall verwendet wird, wird es uns ermöglichen, billigere, zuverlässigere und sicherere Batterien herzustellen. Eine höhere Ionenleitfähigkeit bedeutet, dass Sie mehr Ionen gleichzeitig bewegen können, und durch die Erhöhung der spezifischen Energie und Energiedichte dieser Batterien können Sie die Reichweite des Elektrofahrzeugs erhöhen.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Leistung der Batterie zu verbessern, ihre Zykluszeit zu verlängern und die Ladezeit durch eine bessere Ionenleitfähigkeit zu verkürzen. Bisher haben ihre Bemühungen zu zwei Verbesserungen der Batterieleistung/Zykluszeit geführt.

Diese Arbeit könnte Georgiens Ruf als Innovationszentrum für Elektrofahrzeuge stärken. SK Innovation, ein globales Energie- und Petrochemieunternehmen, finanziert im Rahmen seiner laufenden Zusammenarbeit mit dem Institut weitere Forschungen zu Elektrolytmaterialien, um Festkörperbatterien der nächsten Generation zu bauen, die sicherer und energieintensiver als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien sind. SK Innovation hat kürzlich den Bau eines neuen Batteriewerks für Elektrofahrzeuge in Commerce, Georgia, angekündigt, das bis 2023 jährlich 21,5 Gigawattstunden Lithium-Ionen-Batterien produzieren soll.
Festkörperbatterien könnten die Laufleistung und Sicherheit von Elektrofahrzeugen erheblich verbessern. Schnell wachsende Batterieunternehmen, darunter SK Innovation, sehen in der Kommerzialisierung von Festkörperbatterien einen Wendepunkt für den Elektrofahrzeugmarkt. Kyounghwan Choi, Direktor des Next Generation Battery Research Center von SK Innovation, sagte: „Es bestehen große Hoffnungen auf die schnelle Anwendung und Kommerzialisierung von Festkörperbatterien durch das laufende Projekt in Zusammenarbeit mit SK Innovation und Professor Seung Woo Lee vom Georgia Institute der Technologie."