Nye forskningsresultater kan føre til sikrere og mere kraftfulde lithium-ion-batterier

Virginia Commonwealth University-forskere arbejder på at forbedre ledningsevne og sikkerhed i lithium-ion-batterier, som bruges til at drive mange elektroniske enheder rundt om i verden, inklusive bærbare computere, iPods, satellitter, kunstige hjerter og mobiltelefoner.

Ustabilitet i lithium-ion-batterier på grund af væskeformige elektrolytter, der hjælper med at transportere ladninger fra en batterielektrode til en anden, er en fare, som forskere kan forhindre, sagde Puru Jena, Ph.D., en fremtrædende professor ved Institut for Fysik i Humaniora og Naturvidenskab. På trods af denne ustabilitet, Flydende elektrolytter er almindelige i lithium-ion-batterier på grund af deres ledende overlegenhed i forhold til mere stabile solid-state elektrolytter.

Teoretiske undersøgelser af Jena og kollega Hong Fang, en postdoc ved Institut for Fysik, viser, at det er muligt at designe elektrolytter i fast tilstand, ikke kun til at være lige så ledende som deres flydende modstykker, men også meget stabile. Deres resultater, som blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences denne måned, kan føre til sikrere og mere kraftfulde lithium-ion-batterier.

"Teoretisk set, du kan også få din kage og spise den, når det kommer til stabilitet og ledningsevne, " sagde Jena.

Elektrolytter, som er centrale for et batteri, er salte sammensat af positive og negative ioner. Positive ioner er atomer, der har flere protoner end elektroner, mens negative ioner omvendt har flere elektroner end protoner.

I et lithium-ion batteri, positive lithium-ioner strømmer mellem elektroderne via elektrolytter. Lithiumioner kan flyde frit gennem væskeformige elektrolytter, men er mindre mobile i en faststofelektrolyt, hvilket påvirker ledningsevnen negativt.

For at forbedre ledningsevnen i faststofelektrolytter, forskerne producerede en beregningsmodel, hvor en enkelt negativ ion fjernes. Negative klyngeioner - grupper af atomer med flere elektroner end protoner - erstatter den fraværende ion.

Forskerne konceptualiserede et twist på en specifik faststofelektrolyt, som tidligere er blevet testet af andre forskere. Oprindeligt, elektrolytten, som tilhører en familie af krystaller kaldet antiperovskitter, indeholdt positive ioner lavet af tre lithiumatomer og et oxygenatom. De positive ioner blev forbundet med et enkelt chloratom, der var en negativ ion.

I beregningsmodellen, chloratomet er erstattet af en negativ klyngeion skabt af et boratom og fire fluoratomer forbundet med de eksisterende positive ioner.

Andre kombinationer af negative klyngeioner blev identificeret for potentielt at øge ledningsevnen.

"Udskiftning af klorionerne med klyngeioner forbedrer ledningsevnen, fordi disse ioner er større og tillader lithiumionerne at bevæge sig hurtigt, som om de var i en væske, " sagde Fang.

Jena og Fang er nu på jagt efter samarbejdspartnere til at teste deres beregningsmodel i laboratoriemiljøer til eventuelle lithium-ion batteriapplikationer.