'Gefrustreerde ionen' geven enorm geleidingsvermogen aan 'nieuwe klasse vast elektrolyt'

Geplaatst op 06 augustus 2019 om 17:50 uur
'Gefrustreerde ionen' geven enorm geleidingsvermogen aan 'nieuwe klasse vast elektrolyt'
Er is een potentiƫle doorbraak gevonden voor batterijen met vast elektrolyt. Het gaat om een kristallijn materiaal met opmerkelijk hoog ionengeleidingsvermogen.

De vondst is gepubliceerd in het tijdschrift Chem.


Vast elektrolyt is minder brandgevaarlijk dan vloeibaar elektrolyt, compacter, ongevoelig voor temperatuurschommelingen, en het heeft een hogere energiedichtheid. Het ionengeleidingsvermogen blijft echter achter. Maar daar lijkt nu verandering in gekomen met de vondst van een nieuw materiaal door onderzoekers van de universiteiten in Graz, Leuven en München.

 

De nieuwe geleider met de moleculaire formule LiTi2 (PS4) 3 is een lithiumtitaniumthiofosfaat, vandaar de afkorting LTPS. LTPS heeft een ongebruikelijke kristalstructuur, die wordt gekenmerkt door zogenaamde ‘geometrische frustratie'. In tegenstelling tot andere ionische geleiders biedt de kristalstructuur van LTPS geen energetisch voordelige plekken voor de ionen. Ze zijn daarom nooit tevreden met hun plaats en zijn daardoor onderhevig aan frustratie. Berekeningen van de groep onder leiding van Geoffroy Hautier van de KU Leuven tonen aan dat deze frustratie van de ionen leidt tot een zeer hoge lithiummobiliteit.

 

"De lithiumionen zijn min of meer wanhopig op zoek naar een geschikte plek en bewegen zich zeer snel door de kristallografische structuur van LTPS. Het is precies deze bewegelijkheid die we nodig hebben in elektrolytlichamen voor solid-state batterijen", verklaart Martin Wilkening van de TU in Graz en het Christian Doppler-laboratorium voor lithiumbatterijen, dat Hautiers berekeningen experimenteel heeft bevestigd met kernresonantiemethoden. "We hebben duidelijke aanwijzingen gevonden voor twee sprongprocessen die de resultaten van de berekeningen volledig ondersteunen. In de structuur van LTPS kunnen de lithiumionen heen en weer springen op cirkelvormige paden en van de ene ring naar de volgende. De laatste stap, het interring-proces, maakt ionentransport op lange afstand mogelijk. "

 

Tempo zelfs bij lage temperaturen

De intra-ring hopping processen van lithiumionen bleven zelfs bij extreem lage temperaturen in werking. De lithiumionen zijn bij 20 graden Kelvin (min 253 graden Celsius) nog steeds op zoek naar de juiste plek in het zeer vlakke energielandschap van LTPS. Dergelijk gedrag is volgens Wilkening uiterst zeldzaam: "Wanneer de temperatuur daalt, hebben de ionen geen thermische energie en neemt hun mobiliteit aanzienlijk af. Het is opmerkelijk dat we in LTPS ionenmobiliteit zelfs bij zulke lage temperaturen vinden. Dit laat zien hoe sterk de drang is om de ionen in LTPS te verplaatsen."

 

 Een nieuwe materiaalklasse

LTPS is met dit supersnelle diffusieproces, waarvan de oorzaak energieke frustratie is, een vertegenwoordiger van een nieuwe klasse vaste elektrolyten. Hoewel ze kristallijn zijn, lijken hun bewegingseigenschappen meer op die van vloeibare elektrolyten. De ontdekking en het experimentele onderzoek van LTPS is nu het startpunt voor het zoeken naar verdere verbindingen waarin een soortgelijk gedragsmechanisme overheerst.


Het onderzoek is tot stand gekomen in samenwerking met Toyota. De KU Leuven heeft een patent aangevraagd voor de ontdekking van LTPS.

 
© Engineersonline.nl