Fremskridt peger vejen til mindre, sikrere batterier

Folk kræver ikke for meget af batterier:Lever energi, når det er nødvendigt, og så længe det er ønsket, genoplade hurtigt og ikke bryde i brand.

Et udslæt af mobiltelefonbrande i 2016 rystede forbrugernes tillid til lithium-ion-batterier, en teknologi, der hjalp med at indlede moderne bærbar elektronik, men har været plaget af sikkerhedsproblemer, siden den blev introduceret i 1980'erne. Efterhånden som interessen for elbiler øges, forskere og industriinsidere søger efter forbedret genopladeligt batteriteknologi, der sikkert og pålideligt kan drive biler, autonome køretøjer, robotteknologi og andre næste generations enheder.

Ny Cornell-forskning fremmer designet af solid-state batterier, en teknologi, der i sagens natur er sikrere og mere energitæt end nutidens lithium-ion-batterier, som er afhængige af brændbare flydende elektrolytter til hurtig overførsel af kemisk energi lagret i molekylære bindinger til elektricitet. Ved at starte med flydende elektrolytter og derefter omdanne dem til faste polymerer inde i den elektrokemiske celle, forskerne drager fordel af både flydende og faste egenskaber for at overvinde centrale begrænsninger i nuværende batteridesign.

"Forestil dig et glas fyldt med isterninger:Noget af isen vil komme i kontakt med glasset, men der er huller, " sagde Qing Zhao, en postdoc-forsker og hovedforfatter på undersøgelsen, "Solidstate polymerelektrolytter med indbygget hurtig grænsefladetransport til sekundære lithiumbatterier, "udgivet 11. marts i Naturenergi .

"Men hvis du fylder glasset med vand og fryser det ned, grænsefladerne vil være fuldt belagt, og du etablerer en stærk forbindelse mellem glassets faste overflade og dets flydende indhold, " sagde Qing. "Det samme generelle koncept i et batteri letter høje hastigheder af ionoverførsel over de faste overflader af en batterielektrode til en elektrolyt uden at have brug for en brændbar væske for at fungere."

Nøgleindsigten er introduktionen af ​​specielle molekyler, der er i stand til at initiere polymerisering inde i den elektrokemiske celle, uden at kompromittere andre funktioner i cellen. Hvis elektrolytten er en cyklisk ether, initiatoren kan designes til at rive ringen op, producerer reaktive monomerstrenge, der binder sammen for at skabe lange kædelignende molekyler med i det væsentlige samme kemi som etheren. Denne nu solide polymer bevarer de tætte forbindelser ved metalgrænsefladerne, meget som isen i et glas.

Ud over deres relevans for at forbedre batterisikkerheden, solid-state elektrolytter er også gavnlige for at muliggøre næste generations batterier, der bruger metaller, inklusive lithium og aluminium, som anoder for at opnå langt mere energilagring, end det er muligt i nutidens avancerede batteriteknologi. I denne sammenhæng, faststof-elektrolytten forhindrer metallet i at danne dendritter, et fænomen, der kan kortslutte et batteri og føre til overophedning og fejl.

På trods af de opfattede fordele ved solid-state batterier, industriens forsøg på at producere dem i stor skala er stødt på tilbageslag. Fremstillingsomkostningerne er høje, og tidligere designs dårlige grænsefladeegenskaber udgør betydelige tekniske forhindringer. Et solid state-system omgår også behovet for batterikøling ved at give stabilitet til termiske ændringer.

"Vores resultater åbner en helt ny vej til at skabe praktiske solid-state batterier, der kan bruges i en række applikationer, " sagde seniorforfatter Lynden Archer, James A. Friend -familien Fremstående professor i teknik ved Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering.

Ifølge Archer, den nye in-situ-strategi til at skabe faste polymerelektrolytter er særligt spændende, fordi den viser løfte om at forlænge cykluslevetiden og genopladelige genopladelige metalbatterier med høj energitæthed.

"Vores tilgang fungerer for nutidens lithium-ion-teknologi ved at gøre den sikrere, men giver mulighed for fremtidig batteriteknologi, " sagde Archer.