Workhorse lithium batteri kunne være mere kraftfuldt takket være nyt design

Cornell University kemiingeniørprofessor Lynden Archer mener, at der er brug for en batteriteknologi "revolution - og mener, at hans laboratorium har affyret et af de første skud.

"Det, vi har nu [i lithium-ion batteriteknologi] er faktisk på grænsen af ​​dets muligheder, "sagde Archer." Lithium-ion-batteriet, som er blevet arbejdshesten i at drive nye elektronikteknologier, opererer på over 90 procent af sin teoretiske lagerkapacitet. Mindre tekniske justeringer kan føre til bedre batterier med mere lagerplads, men dette er ikke en langsigtet løsning."

"Du har brug for en slags radikal mindset-ændring, " han sagde, "og det betyder, at du næsten skal starte forfra."

Snehashis "Sne" Choudhury, Ph.D. '18, har fundet frem til, hvad Archer betegner som en "elegant" løsning på et grundlæggende problem med genopladelige batterier, der bruger energitætte metalliske lithiumanoder:nogle gange katastrofal ustabilitet på grund af dendritter, som er rygsøjler af lithium, der vokser fra anoden, når ioner rejser frem og tilbage gennem elektrolytten under opladnings- og afladningscyklusser.

Hvis dendritten bryder gennem separatoren og når katoden, kortslutning og brand kan opstå. Faste elektrolytter har vist sig at undertrykke dendritvækst mekanisk, men på bekostning af hurtig iontransport. Choudhurys løsning:Begræns dendritvækst ved strukturen af ​​selve elektrolytten, som kan kontrolleres kemisk.

Ved at bruge en reaktionsprocedure introducerede Archer-gruppen i 2015, de anvender "tværbundne behårede nanopartikler - et pode af silica nanopartikler og en funktionaliseret polymer (polypropylenoxid) - for at skabe en porøs elektrolyt, der effektivt forlænger den rute, ioner skal tage for at rejse fra anoden til katoden og tilbage, dramatisk forøgelse af anodens levetid.

Deres papir, "Begrænsning af elektroaflejring af metaller i strukturerede elektrolytter, " blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences . Choudhury og Dylan Vu - en voksende junior med speciale i kemiteknik - er medforfattere.

Choudhury, som er på vej til Stanford University for sit postdoktorale arbejde, også udtænkt en metode til direkte visualisering af deres eksperimentelle batteris indre funktion. Gruppen bekræftede teoretiske forudsigelser om dendritvækst med Choudhurys enhed.

"Dette er noget, jeg har ønsket at gøre for, Jeg tror, tre ph.d. studerendes liv, "sagde Archer, hvem har været på Cornell siden 2000, med et grin. "Det Sne kunne gøre var at designe en celle, der tillod os at, meget elegant, visualisere, hvad der sker ved lithium-metal-grænsefladen, giver os nu mulighed for at gå ud over teoretiske forudsigelser. "

En anden nyhed i dette værk, Archer sagde, "vælter noget af en kanon" inden for batterividenskab. Det har længe været antaget, at for at undertrykke dendritvækst, separatoren inde i batteriet skal være stærkere end det metal, det forsøger at undertrykke, men Choudhurys porøse polymerseparator - med gennemsnitlige porestørrelser under 500 nanometer - viste sig at standse væksten.