Forskere viser fremskridt inden for næste generation af lithiummetalbatterier

Et forskningshold fra Washington State University har udviklet en måde at løse et stort sikkerhedsproblem med lithiummetalbatterier - en innovation, der kan gøre højenergibatterier mere levedygtige til næste generations energilagring.

Forskerne brugte en formulering til deres batterier, der førte til dannelsen af ​​en unik, beskyttende lag omkring deres lithiumanode, beskytter batterierne mod nedbrydning og lader dem arbejde længere under typiske forhold. Anført af Min-Kyu Song, assisterende professor ved WSU School of Mechanical and Materials Engineering, forskerne rapporterer om arbejdet i tidsskriftet, Nano energi .

Lithiummetal betragtes som "drømmematerialet" til batterier, Sagde sang. Det er fordi blandt kendte faste materialer, det har den højeste energitæthed, hvilket betyder, at batterier kunne køre dobbelt så længe og holde mere energi end de allestedsnærværende lithium-ion-batterier, der driver det meste af moderne elektronik. Mens lithium-ion-batterier fungerer ved at føre lithium-ioner mellem en grafitanode og en lithium-koboltoxid-katode, anoden i et lithiummetalbatteri er lavet af det højenergiske lithiummetal.

"Hvis vi direkte kan bruge lithiummetal, vi kan forbedre batteriernes energitæthed dramatisk, " sagde Song.

Mens fordelene ved lithiummetal har været kendt i årtier, forskere har aldrig været i stand til at få dem til at fungere sikkert. Når elektroner bevæger sig mellem anoden og katoden gennem det eksterne kredsløb for at drive en enhed, Juletræslignende dendritter begynder at dannes på lithiummetallet. Dendritterne vokser, indtil de forårsager elektrisk kortslutning, brande, eller eksplosioner. Selvom de ikke brænder, lithiummetalbatterierne mister også meget hurtigt deres evne til at oplade.

WSU-forskerholdet udviklede et batteri, hvori de pakkede selendisulfid, et ikke-giftigt kemikalie, der bruges i skælshampoo, ind i en porøs kulstofstruktur for deres katode. De tilføjede to tilsætningsstoffer til de flydende elektrolytter, der typisk udforskes i næste generation af lithiumbatterier.

De to additiver virkede synergistisk og dannede et beskyttende lag på lithiummetaloverfladen, der var tæt, ledende, og robust nok til at undertrykke væksten af ​​dendritter, samtidig med at den tillader god cykelstabilitet, Sagde sang. Når de testes ved typiske strømtætheder, som folk ville bruge til elektronik, den beskyttede lithiummetalanode var i stand til at genoplades 500 gange og bibeholdt høj effektivitet.

"Sådan et unikt beskyttende lag førte til små morfologiske ændringer af lithiumanoden i løbet af cykling og mindskede effektivt væksten af ​​lithiumdendritter og uønskede bivirkninger, " han sagde.

Forskerne mener, at deres teknologi kan være skalerbar og omkostningseffektiv.

"Hvis kommercialiseret, denne nye formulering har et reelt potentiale, " sagde Song. "Sammenlignet med solid-state batterier, som stadig er år væk, du behøver ikke at ændre fremstillingsprocedurerne, og dette ville være gældende for den rigtige industri meget hurtigere, åbner op for en lovende vej mod udviklingen af ​​højenergi-lithiummetalbatterier med lang levetid."

Forskerne arbejder videre på batteriet, udvikle en separator, der yderligere vil beskytte batterimaterialerne mod forringelse og øge sikkerheden uden at gå på kompromis med ydeevnen.