Hybride indium-lithium anoder giver hurtig grænsefladeiontransport

Nye lithiumelektroder belagt med indium kunne være grundlaget for mere kraftfulde, længerevarende, genopladelige batterier. Belægningen forhindrer uønskede side-reaktioner mellem elektroden og elektrolytten, give en mere ensartet aflejring af lithium under opladning, og øger lagring i lithiumanoden via legeringsreaktioner mellem lithium og indium, som rapporteret af amerikanske videnskabsmænd i tidsskriftet Angewandte Chemie . Deres succes stammer fra den gode diffusion af lithiumioner langs grænsefladelaget.

Moderne lithium-ion-batterier har normalt grafitanoder, der opbevarer lithium, når batterierne er opladet. Et interessant alternativ præsenteres af batterier med metalliske anoder, såsom lithiummetal, som lover væsentlig højere lagerkapacitet. Imidlertid, en væsentlig hindring for deres succesfulde implementering har været den ujævne aflejring af metallet under opladningsprocessen, hvilket fører til dannelse af dendritter. Efter længere tids brug af batteriet, disse dendritter kan vokse sig så omfattende, at de kortslutter batteriet. Ud over, der er uønskede sidereaktioner mellem de reaktive metalelektroder og elektrolytten, hvilket reducerer batteriernes levetid markant. Dannelsen af ​​en stald, passiveringslag, der forhindrer yderligere kontakt, ville være en ideel løsning; imidlertid, det er ikke muligt på grund af den konstante udvidelse og sammentrækning af elektroden ved opladning og afladning. Dette ødelægger laget og udsætter metallet for elektrolytten for flere reaktioner. Andre tilgange omfatter kunstige film eller fysiske barrierer.

Forskere, der arbejder med Ravishankar Sundararaman ved Rensselaer Polytechnic Institute (Troy, USA) og Lynden A. Archer ved Cornell University har nu introduceret et nyt alternativ. Ved at bruge ligetil strømløs ionbytterkemi, de producerede indiumbelægninger på lithium. Enkel nedsænkning i en speciel indiumsaltopløsning er alt, hvad der skal til. Noget af indiumet aflejres på overfladen af ​​lithiumelektroden som metal, og lithiumionkoncentrationen i elektrolytten stiger samtidigt.

Indiumlaget er ensartet og selvhelbredende, når elektroden er i brug, hvis små mængder af indiumsaltet tilsættes til elektrolytten. Det forbliver intakt under opladnings-/afladningscyklusser, dens kemiske sammensætning forbliver uændret, og bivirkninger forhindres. Dendritter elimineres også, efterlader overfladen glat og kompakt.

Ved at bruge computermodellering, forskerne var i stand til at vise, hvorfor deres metode er så vellykket:lithiumioner er meget løst bundet til indiumbelægningen. De danner en legering med indium, som tillader dem at bevæge sig meget hurtigt over overfladen, før de krydser den og aflejres på den underliggende lithiumelektrode. I komplette celler med kommercielle katoder, disse nye indium-lithium hybridelektroder var stabile over mere end 250 cyklusser, bevarer omkring 90 % af deres kapacitet.