Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Frysning af litiumbatterier kan gøre dem mere sikre og bøjelige

Skematisk af lodret justerede og tilsluttede keramiske kanaler til forbedring af ionisk ledning. I venstre figur, keramiske partikler er tilfældigt dispergeret i polymermatrixen, hvor iontransport blokeres af polymermatrixen med lav ledningsevne. I den rigtige, lodret justeret og forbundet struktur letter iontransport, som kan realiseres ved is-skabelonmetoden. Kredit:Yuan Yang/Columbia Engineering

Yuan Yang, adjunkt i materialevidenskab og teknik ved Columbia Engineering, har udviklet en ny metode, der kan føre til sikrere lithiumbatterier, har længere batterilevetid, og er bøjelige, giver nye muligheder som fleksible smartphones. Hans nye teknik bruger is-templating til at styre strukturen af ​​den faste elektrolyt til litiumbatterier, der bruges i bærbar elektronik, elektriske køretøjer, og energilagring på netniveau. Undersøgelsen er offentliggjort online den 24. april i Nano bogstaver .

Flydende elektrolyt bruges i øjeblikket i kommercielle litiumbatterier, og, som alle nu ved, det er meget brandfarligt, forårsager sikkerhedsproblemer med nogle bærbare computere og andre elektroniske enheder. Yangs team undersøgte ideen om at bruge fast elektrolyt som en erstatning for den flydende elektrolyt til fremstilling af alle solid-state litiumbatterier. De var interesserede i at bruge is-skabeloner til at fremstille lodret justerede strukturer af keramiske faste elektrolytter, som giver hurtige lithiumionveje og er meget ledende. De afkølede den vandige opløsning med keramiske partikler fra bunden og lod derefter is vokse og skubbe væk og koncentrere de keramiske partikler. De anvendte derefter et vakuum for at overføre den faste is til en gas, efterlader en lodret struktur. Endelig, de kombinerede denne keramiske struktur med polymer for at give elektrolytten mekanisk støtte og fleksibilitet.

"I bærbare elektroniske enheder, samt elektriske køretøjer, fleksible alle-solid-state litiumbatterier løser ikke kun sikkerhedsproblemerne, men de kan også øge batteriets energitæthed til transport og opbevaring. Og de viser et stort løfte om at skabe bøjelige enheder, "siger Yang, hvis forskningsgruppe er fokuseret på elektrokemisk energilagring og konvertering og termisk energistyring.

Forskere i tidligere undersøgelser brugte enten tilfældigt spredte keramiske partikler i polymerelektrolyt eller fiberlignende keramiske elektrolytter, der ikke er lodret justeret. "Vi troede, at hvis vi kombinerede den vertikalt justerede struktur af den keramiske elektrolyt med polymerelektrolytten, vi ville være i stand til at levere en hurtig motorvej for lithiumioner og dermed forbedre ledningsevnen, "siger Haowei Zhai, Yangs ph.d. -studerende og papirets hovedforfatter. "Vi mener, at det er første gang, nogen har brugt is-templating-metoden til at lave fleksibel fast elektrolyt, som er ikke -brandfarlig og ikke -toksisk, i litiumbatterier. Dette åbner en ny tilgang til optimering af ionledning til næste generations genopladelige batterier. "

Ud over, siger forskerne, denne teknik kunne i princippet forbedre batteriets energitæthed:Ved at bruge den faste elektrolyt, litiumbatteriets negative elektrode, i øjeblikket et grafitlag, kunne erstattes af litiummetal, og dette kan forbedre batteriets specifikke energi med 60% til 70%. Yang og Zhai planlægger ved siden af ​​at arbejde på at optimere kvaliteterne ved den kombinerede elektrolyt og samle den fleksible solide elektrolyt sammen med batterielektroder for at konstruere en prototype af et fuldt lithiumbatteri.

"Det er en smart idé, "siger Hailiang Wang, adjunkt i kemi ved Yale University. "Den rationelt designede struktur hjælper virkelig med at forbedre kompositelektrolytens ydeevne. Jeg synes, at dette er en lovende tilgang."