Tuneable and Earth Abundant Solid-State Electrolytes for Li-ion Batteries

Oppladbare Li-ion-batterier blir stadig mer nødvendige i det moderne samfunnet, og finnes i bærbar elektronikk, elektriske kjøretøy, i tillegg til at de baner vei for et fullt fornybart energinett. Et typisk Li-ion-batteri består av positive (katode) og negative (anode) elektroder adskilt av en flytende elektrolytt som tillater Li-ioner (ladede litiumatomer) å bevege seg mellom dem. Den flytende elektrolytten er imidlertid svært brannfarlig og begrenser også bruken av en høykapasitetsanode, slik som rent litium-metall. Dette resulterer i redusert batterikapasitet (dvs. at mobilbatteriet ditt ikke varer like lenge). En åpenbar løsning er å bruke en fast elektrolytt som vil løse mange av disse problemene. Likevel er ikke “åpenbar” det samme som lett…det finnes en avveining mellom ionisk mobilitet/ledningsevne og stabiliteten til et slikt materiale. Som man kan forestille seg, er det vanskeligere å skyve en biljardkule gjennom en murvegg enn gjennom vann – det samme gjelder for atomer. Typisk har faste elektrolytter med svært mobile Li-ioner utfordringer med stabilitet, noe som gjør produksjon og langtidsbruk vanskelig, mens stabile materialer ofte har lav ionisk mobilitet. “Tuneable and Earth-Abundant Solid-State Electrolytes for Li-ion Batteries” (TEASE) har som mål å løse dette ved å forutsi nye materialer som både er stabile, har høy Li-ion-ledningsevne og består av bærekraftige elementer det finnes store forekomster av i jordskorpa. En måte å oppnå dette på er gjennom bruk av justerbare (tuneable) materialer. Det finnes flere måter å lage slike materialer på, for eksempel: ved å endre krystallstrukturen (måten atomene er ordnet i 3D), indusere atomisk uorden (som skaper nye veier for Li-ioner), doping (tilføre små mengder av andre grunnstoffer), faste løsninger (kombinere to lignende materialer med ulike egenskaper). Å utvikle disse strategiene er avgjørende for å overvinne dagens teknologiske begrensninger, og TEASE-prosjektet akselererer realiseringen av dette.

Li-ion batteries are ubiquitous in modern society due to the advent of portable electronic devices, with ever-increasing demand powered by the transition to electric transportation and a renewable energy grid. The current technology is, however, approaching limitations regarding capacity, high voltages, long-term cyclability as well as concerns surrounding safety. Replacing the liquid electrolyte component in a Li-ion battery with a solid-state electrolyte has the potential to solve these issues. Despite this, high-synthesis costs, poor interfacial contacts, as well as trade-offs between stability and ionic conductivity exist in current solid-electrolyte materials. In this proposal we offer a new generation of Earth-abundant solid electrolytes based on silicon oxynitrates to tackle these problems to realise all solid-state batteries. In addition, tuneability strategies based on defect chemistry and dopability, order/disorder, solid solutions as well as crystalline vs amorphous behaviour will be explored from a fundamental level using state-of-the-art materials simulations. In tuning each aspect of the composition and structure of these materials, the trade-offs and limitations we have come to expect will be mitigated. Experimental verification of promising candidates will be performed alongside the computational work by the project partner: Prof. Daniel Rettenwander at NTNU who has over 11 years of experience working with the synthesis and characterization of solid electrolytes for Li-ion batteries.