Lithium-relateret opdagelse kan forlænge batteriets levetid og forbedre sikkerheden

Lithium-metalbatterier er blandt de mest lovende kandidater til højdensitetsenergilagringsteknologi i et voksende udvalg af digitale "smarte" enheder og elektriske køretøjer, men ukontrolleret lithiumdendritvækst, hvilket resulterer i dårlig genopladningsevne og sikkerhedsrisici, dæmper deres potentiale i øjeblikket.

Dendritter er nålelignende vækster, der vises på overfladen af ​​lithiummetal, som bruges som anode, eller negativ elektrode, af et batteri. De fremkalder uønskede bivirkninger, der reducerer energitætheden, og i værste fald, forårsage kortslutning af elektroderne, hvilket kan føre til brande eller eksplosioner.

Ny forskning fra Arizona State University, der involverer brug af et 3-dimensionelt lag af polydimethylsiloxan (PDMS), eller silikone, da substratet af lithiummetalanode har vist sig at afbøde dendritdannelse og står til både at forlænge batteriets levetid dramatisk og mindske sikkerhedsrisici.

Ifølge Hanqing Jiang, en professor ved Arizona State University's School for Engineering of Matter, Transport og energi og en ledende forsker på et papir offentliggjort i Naturenergi , resultaterne har relevans for både lithium-ion- og lithium-luft-batterier, samt implikationer for andre metal-anode-baserede batterier.

"Næsten alle metaller, der bruges som batterianoder, har tendens til at udvikle dendritter, " forklarede Jiang. "F.eks. disse fund har betydning for zink, også natrium- og aluminiumsbatterier."

Jiang sagde, at han og forskerholdet, snarere end at nærme sig problemet fra et materiale eller et elektrokemisk perspektiv, søgte løsninger som maskiningeniører. "Vi ved allerede, at bittesmå tinnåle eller knurhår kan stikke ud af blikoverflader under stress, så analogt så vi på muligheden for stress som en faktor i lithium dendrit vækst."

Den første forskningsrunde involverede tilføjelse af et lag PDMS til bunden af ​​batterianoden. "Der var bemærkelsesværdige reduktioner i dendritvækst, " sagde Jiang. Forskerne opdagede, at dette er direkte relateret til det faktum, at stress akkumuleret inde i lithiummetallet aflastes af deformationen af ​​PDMS-substratet i form af "rynker."

"Dette er første gang overbevisende beviser viser, at resterende stress spiller en nøglerolle i initieringen af ​​lithiumdendritter, " sagde Jiang.

Ud over at opnå en grundlæggende forståelse af lithiumdendritvækstmekanismen, Jiangs gruppe fandt også på en smart måde at udnytte fænomenet til at forlænge levetiden af ​​lithium-metal-batterier og samtidig bevare deres høje energitæthed. Løsningen er at give PDMS-substrat en tredimensionel form med meget overflade. "Forestil dig sukkerterninger, der indeholder mange små indre porer, " forklarede Jiang. "Inde i disse terninger, PDMS danner et kontinuerligt netværk som substrat, dækket af et tyndt kobberlag for at lede elektroner. Endelig, lithium fylder porerne. PDMS, der fungerer som en porøs, svampelignende lag, lindrer stress og hæmmer effektivt dendritvækst."

"Ved synergistisk kæmning med andre lithiumdendrit-undertrykkelsesmetoder såsom nye elektrolytadditiver, opdagelsen har brede implikationer for at gøre lithium-metal-batterier sikre, stor tæthed, langsigtet energilagringsløsning, " sagde professor Ming Tang, et forskerholdsmedlem ved Rice University. "Potentielle applikationer spænder fra personlige elektroniske enheder til at drive elbiler i usædvanligt længere perioder til at være backup-elektricitetsforsyningen til solenerginet."