Улучшение производительности, о котором сообщается в журнале Joule, связано с двумя ключевыми выводами:
Резистивную поверхность раздела между электролитом и катодом, которая обычно образуется во время цикла, можно поменять местами, увеличивая срок службы и
Гибкость органического катода позволила ему поддерживать тесный контакт на границе раздела с твердым электролитом, даже когда катод расширялся и сжимался во время цикла.
Ян Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Хьюстона и автор статьи, сказал, что органический катод, известный как PTO, для пирен-4,5,9,10-тетраона, предлагает уникальные преимущества перед предыдущие неорганические катоды.
Но он сказал, что основные принципы одинаково важны.
«Мы впервые обнаружили, что резистивная граница раздела, которая образуется между катодом и электролитом, может быть обращена вспять», – сказал Яо. "Это может способствовать стабильности и продлению срока службы."Яо также является главным исследователем Техасского центра сверхпроводимости в UH. Его исследовательская группа специализируется на экологически чистых и устойчивых органических материалах для производства и хранения энергии.
Янлян «Леонард» Лян, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники UH, сказал, что обратимость интерфейса является ключевым моментом, позволяющим твердотельной батарее достигать более высокой плотности энергии без ущерба для срока службы. Обычно способность твердотельной батареи накапливать энергию прекращается, когда резистивный катод?формы поверхности раздела электролита; изменение этого сопротивления позволяет сохранять высокую плотность энергии во время езды на велосипеде, – сказал он.
Литий-ионные батареи с жидкими электролитами способны накапливать относительно большое количество энергии и обычно используются для питания современных инструментов, от сотовых телефонов до слуховых аппаратов. Но опасность пожара и взрыва повысила интерес к другим типам батарей, а твердотельные натриево-ионные батареи обещают повышенную безопасность при более низкой стоимости.
Сяовэй Чи, научный сотрудник группы Яо, доктор наук, сказал, что ключевой задачей было найти твердый электролит, который был бы таким же проводящим, как жидкие электролиты, используемые в литий-ионных батареях.
Теперь, когда доступны твердые электролиты с достаточной проводимостью, осталась проблема с твердыми интерфейсами.
Одна проблема, связанная с твердым электролитом: электролит изо всех сил пытается поддерживать тесный контакт с традиционным жестким катодом, поскольку последний расширяется и сжимается во время цикла батареи.
Фанг Хао, аспирант, работающий в группе Яо, сказал, что органический катод более податлив и, следовательно, может оставаться в контакте с интерфейсом, улучшая срок службы велосипеда. Исследователи заявили, что контакт оставался стабильным на протяжении как минимум 200 циклов.
«Если у вас будет надежный контакт между электродом и электролитом, у вас будет отличный шанс создать высокопроизводительную твердотельную батарею», – сказал Хао.
Помимо Яо, в число авторов входят соавторы Хао и Чи, Лян, Е Чжан и Хуэй Донг, все из UH; Жун Сюй и Кэцзе Чжао из Университета Пердью; и Хуа Го, Танги Терлиер и Цзюнь Лу из Университета Райса.
Большая часть этой работы была профинансирована U.S. Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики – Энергетика (ARPA-E).