Nytt elektrolytmaterial tar täten i kapplöpningen mot solid-state-batteriet

Fast elektrolytmaterial är en viktig komponent i utvecklingen av nästa generations litiumjonbatterier, inte minst eftersom fasta elektrolyter kan minska brandrisken jämfört med dagens flytande elektrolyter.

En forskargrupp vid Nagoya University i Japan har nu studerat materialet LLNOF* och identifierat vad som ligger bakom dess höga jonledningsförmåga.

Nyckeln är en fluoridjon som rör sig när litiumjoner förflyttar sig genom materialet.

När en litiumjon hoppar till en ledig plats i kristallstrukturen förskjuts fluoridjonen mot den plats där litiumjonen befann sig. Den lokala förändringen i strukturen sänker energibarriären för nästa litiumjon att förflytta sig.

Fluoridjonen fungerar därmed inte enbart som en passiv del av materialet, utan bidrar aktivt till att skapa en väg för litiumjonerna genom elektrolyten.

Över dubbelt så hög ledningsförmåga

LLNOF har redan uppmärksammats 2024, då forskare rapporterade en litiumjonledningsförmåga på omkring 7 mS/cm. Den bakomliggande mekanismen var dock inte klarlagd.

Genom att förändra materialets sammansättning, bland annat förhållandet mellan litium, lantan och lediga platser i kristallstrukturen, har forskarna nu ökat ledningsförmågan till 16,3 mS/cm.

Resultatet är enligt forskarna den högsta rapporterade bulkledningsförmågan för litiumjoner bland oxidrelaterade fasta elektrolyter.

Forskningen är särskilt intressant eftersom oxidbaserade elektrolyter generellt har lägre jonledningsförmåga än exempelvis sulfidbaserade material. Sulfidelektrolyter kan samtidigt innebära andra säkerhetsutmaningar, förutom brandrisken, då vissa sulfidmaterial kan bilda giftiga gaser vid kontakt med fukt.

Kan bidra till säkrare solid-state-batterier

En central utmaning för solid-state-batterier är därför att kombinera hög jonledningsförmåga med material som är stabila och säkra.

Forskarna menar att den identifierade mekanismen utmanar den tidigare bilden av att hög jonledningsförmåga framför allt kräver lättdeformerbara negativa joner, som i vissa sulfidbaserade elektrolyter. 

– Den allmänna uppfattningen har varit att sulfidbaserade material är bättre ledare på grund av sin anjonkaraktär, men den här mekanismen ifrågasätter den uppfattningen, säger Takeshi Yajima, docent vid institutionen för materialdesign och innovationsteknik vid Nagoya-universitetet, till Interesting Engineering.

Upptäckten kan skapa en ny väg för att konstruera oxidbaserade fasta elektrolyter med snabbare transport av litiumjoner.

Nästa steg är att omsätta materialegenskaperna i praktiska battericeller. En hög jonledningsförmåga i själva elektrolyten är en viktig egenskap, men ett kommersiellt solid-state-batteri måste även hantera bland annat gränsytor mellan elektrolyt och elektroder, tillverkningsprocesser samt långsiktig stabilitet.

Hela studien finns publicerad i The Journal of the American Chemical Society.

*LLNOF är en förkortning för det kemiska materialet Li₂₋ₓLa₍₁₊ₓ₎_/₃Nb₂O₆F. Det är en så kallad oxifluoridkristall som fungerar som en fast elektrolyt i nästa generations batterier