Batterigennembrud:Fordobling af ydeevnen med lithiummetal, der ikke brænder

En genopladelig batteriteknologi udviklet ved University of Michigan kunne fordoble produktionen af ​​nutidens lithiumionceller - drastisk forlængelse af elektriske køretøjers rækkevidde og tid mellem mobiltelefonopladninger - uden at optage ekstra plads.

Ved at bruge keramik, faststof elektrolyt, Ingeniører kan udnytte kraften i lithiummetalbatterier uden de historiske problemer med dårlig holdbarhed og kortslutning. Resultatet er en køreplan til, hvad der kunne blive den næste generation af genopladelige batterier.

"Dette kunne være en game-changer - et paradigmeskift i, hvordan et batteri fungerer, " sagde Jeff Sakamoto, en U-M lektor i maskinteknik, der leder arbejdet.

I 1980'erne, genopladelige lithiummetalbatterier, der brugte flydende elektrolytter, blev betragtet som den næste store ting, trænge ind på markedet i tidlige bærbare telefoner. Men deres tilbøjelighed til at forbrænde, når de blev ladet, førte ingeniører i forskellige retninger. Lithium-atomerne, der bevæger sig mellem elektroderne, havde en tendens til at bygge trælignende filamenter kaldet dendritter på elektrodeoverfladerne, til sidst kortslutter batteriet og antænder den brændbare elektrolyt.

Litiumionbatteriet - et mere stabilt, men mindre energitæt teknologi – blev introduceret i 1991 og blev hurtigt den nye standard. Disse batterier erstattede lithiummetal med grafitanoder, som absorberer lithium og forhindrer dendritter i at dannes, men kommer også med præstationsomkostninger:

Grafit kan kun indeholde en lithiumion for hver seks kulstofatomer, giver det en specifik kapacitet på cirka 350 milliampere timer pr. gram (mAh/g.) Litiummetallet i et solid state -batteri har en specifik kapacitet på 3, 800 mAh/g.

Nuværende lithium-ion-batterier maksimalt ud med en samlet energitæthed omkring 600 watt-timer pr. liter (Wh/L) på celleniveau. I princippet solid-state batterier kan nå 1, 200 Wh/L.

For at løse lithiummetals forbrændingsproblem, UM-ingeniører skabte et keramisk lag, der stabiliserer overfladen - forhindrer dendritter i at dannes og forhindrer brande. Det giver batterier mulighed for at udnytte fordelene ved lithiummetal – energitæthed og høj ledningsevne – uden farer for brande eller nedbrydning over tid.

"Det, vi er kommet frem til, er en anden tilgang - fysisk stabilisering af lithiummetaloverfladen med en keramik, " sagde Sakamoto. "Det er ikke brændbart. Vi når det på over 1, 800 grader Fahrenheit i luften. Og der er ingen væske, hvilket er det, der typisk brænder for de batteribrande, du ser.

"Du slipper af med det brændstof, du slipper for forbrændingen."

I tidligere faststof-elektrolyttest, lithiummetal voksede gennem den keramiske elektrolyt ved lave opladningshastigheder, forårsager kortslutning, meget ligesom i flydende celler. UM-forskere løste dette problem med kemiske og mekaniske behandlinger, der giver en uberørt overflade, så lithium kan plader jævnt, effektivt undertrykke dannelsen af ​​dendritter eller filamenter. Dette forbedrer ikke kun sikkerheden, det muliggør en dramatisk forbedring af opladningssatser, Sagde Sakamoto.

"Indtil nu, de hastigheder, hvormed du kunne udplade lithium, ville betyde, at du skulle oplade et bilbatteri af lithiummetal i over 20 til 50 timer (for fuld effekt), " sagde Sakamoto. "Med dette gennembrud, vi demonstrerede, at vi kan oplade batteriet på 3 timer eller mindre.

"Vi taler en faktor 10 stigning i opladningshastighed sammenlignet med tidligere rapporter for solid state lithium metal batterier. Vi er nu på niveau med lithium ion celler med hensyn til opladningshastigheder, men med yderligere fordele. "

Den opladnings-/genopladningsproces er det, der uundgåeligt fører til et lithium-ion-batteris død. Gentagne gange udveksling af ioner mellem katoden og anoden producerer synlig nedbrydning lige ud af æsken.

Ved test af den keramiske elektrolyt, imidlertid, ingen synlig nedbrydning observeres efter langvarig cykling, sagde Nathan Taylor, en U-M post-doc stipendiat i maskinteknik.

"Vi lavede den samme test i 22 dage, " sagde han. "Batteriet var lige det samme i starten, som det var i slutningen. Vi så ingen forringelse. Vi er ikke opmærksomme på, at nogen anden faststofelektrolyt i bulk har ydet så godt i så lang tid."

Bulk solid state elektrolytter muliggør celler, der er en drop-in erstatning for nuværende lithium-ion-batterier og kunne udnytte eksisterende batteriproduktionsteknologi. Med materialets ydeevne verificeret, forskergruppen er begyndt at producere tynde faste elektrolytlag, der er nødvendige for at opfylde faststofkapacitetsmålene.

Gruppens resultater er offentliggjort i 31. august-udgaven af Journal of Power Sources .