Børstning af tynde film på elektroder bevarer batterierne

En smule børstning kan være hemmeligheden bag at lave bedre genopladelige lithium-batterier.

Kemikeren James Tours Rice University lab introducerede en teknik til at tune overfladen af ​​anoder til batterier ved blot at børste pulver ind i dem. Pulveret klæber til anoden og bliver til en tynd, lithieret belægning, der effektivt forhindrer dannelsen af ​​skadelige dendritter.

Et pulver af fosfor og svovl malet ind i overfladen af ​​lithiummetalfolie viste, at dets overfladeenergi kan indstilles uden behov for giftige opløsningsmidler. Sådan modificerede anoder og parret med lithium-jern-phosphat-oxid-katoder i testceller viste, at de beholdt 70 % mere kapacitet efter 340 opladnings-afladningscyklusser end standardbatterier.

Undersøgelsen vises i Advanced Materials .

"Dette ville forenkle fremstillingen af ​​batterier med høj kapacitet og samtidig forbedre dem betydeligt," sagde Tour. "Slibning af disse pulveriserede faste stoffer til en lithiummetalanode reducerer dramatisk dendritdannelse, der kan kortslutte et batteri, såvel som det accelererede forbrug af materialerne."

Hovedforfatter og Rice-studerende Weiyin Chen og hans laboratoriekolleger påførte det nødvendige albuefedt for at teste en række pulverkandidater på deres elektroder. De børstede først overfladen for at give den tekstur, derefter børstede de i pulver for at skabe den fine film, der reagerer med lithiummetallet og danner et solidt passiveringslag.

Chen og medforfatter Rodrigo Salvatierra, en tidligere postdoc-forsker og nu en akademisk gæst i Tour-laboratoriet, konstruerede testbatterier og konstaterede, at de behandlede anoder bibeholdt ultralav polarisering - en anden skadelig egenskab for lithium-ion-batterier - i mere end 4.000 timer, ca. otte gange længere end blottede lithiumanoder.

Tour sagde, at pulverne effektivt tuner elektrodernes overfladeenergi, hvilket giver en mere ensartet adfærd på tværs af materialet.

"Dette giver en metalkompositoverflade, der forhindrer tab af lithiummetal fra anoden, et almindeligt problem i lithiummetalbatterier," sagde Tour. "Lithiummetalbatterier overstiger langt kapaciteten af ​​traditionelle lithium-ion-batterier, men lithiummetallet er ofte svært at genoplade gentagne gange."

"Pulveret på lithiummetaloverfladen producerer et kunstigt passiveringslag, der forbedrer stabiliteten gennem opladnings-afladningscyklusserne," sagde Chen. "Ved brug af denne børste-på-metode stabiliseres metaloverfladen, så den sikkert kan genoplades."

For at vise, at teknikken kan have bredere anvendelse, malede laboratoriet også pulver til en natriumelektrode og opdagede, at processen i høj grad stabiliserede dets spændingsoverpotentiale.

Undersøgelsen stemmer overens med Tour og Rices maskiningeniør C. Fred Higgs III's nylige opdagelse om, at slibning af visse pulvere i overflader kan gøre dem superhydrofobe eller meget modstandsdygtige over for vand.

Medforfattere til papiret er ris-aluner John Li og Duy Luong; kandidatstuderende Jacob Beckham, Nghi La og Jianan Xu og akademisk besøgende Victor Li. Tour er T.T. og W.F. Chao Chair i kemi samt professor i datalogi og i materialevidenskab og nanoteknik ved Rice. + Udforsk yderligere

Nanorør kan give verden bedre batterier