Forskere udvikler semi-flydende metalanode til næste generations batterier

Forskere fra Carnegie Mellon Universitys Mellon College of Science og College of Engineering har udviklet en halvflydende lithiummetalbaseret anode, der repræsenterer et nyt paradigme inden for batteridesign. Lithiumbatterier fremstillet ved hjælp af denne nye elektrodetype kan have en højere kapacitet og være meget sikrere end typiske lithiummetalbaserede batterier, der bruger lithiumfolie som anode.

Det tværfaglige forskerhold offentliggjorde deres resultater i det aktuelle nummer af Joule .

Lithium-baserede batterier er en af ​​de mest almindelige typer genopladelige batterier, der bruges i moderne elektronik på grund af deres evne til at lagre store mængder energi. Traditionelt, disse batterier er lavet af brændbare flydende elektrolytter og to elektroder, en anode og en katode, som er adskilt af en membran. Når et batteri er blevet opladet og afladet gentagne gange, strenge af lithium kaldet dendritter kan vokse på overfladen af ​​elektroden. Dendritterne kan trænge gennem membranen, der adskiller de to elektroder. Dette muliggør kontakt mellem anoden og katoden, som kan få batteriet til at kortslutte og, i værste fald, bryde i brand.

"At inkorporere en metallisk lithiumanode i lithium-ion-batterier har det teoretiske potentiale til at skabe et batteri med meget mere kapacitet end et batteri med en grafitanode, " sagde Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University professor i naturvidenskab ved Carnegie Mellons afdeling for kemi. "Men, det vigtigste, vi skal gøre, er at sikre, at det batteri, vi skaber, er sikkert."

En foreslået løsning på de flygtige flydende elektrolytter, der bruges i nuværende batterier, er at erstatte dem med faste keramiske elektrolytter. Disse elektrolytter er stærkt ledende, ikke-brændbar og stærk nok til at modstå dendritter. Imidlertid, forskere har fundet ud af, at kontakten mellem den keramiske elektrolyt og en solid lithiumanode er utilstrækkelig til at lagre og levere den mængde strøm, der er nødvendig for det meste elektronik.

Sipei Li, en ph.d.-studerende i Carnegie Mellon's Department of Chemistry, og Han Wang, en ph.d.-studerende i Carnegie Mellons afdeling for materialevidenskab og teknik, var i stand til at overvinde denne mangel ved at skabe en ny klasse materiale, der kan bruges som en halvflydende metalanode.

Arbejder med Mellon College of Sciences Matyjaszewski, førende inden for polymerkemi og materialevidenskab, og Jay Whitacre, Trustee professor i energi i College of Engineering og direktør for Wilton E. Scott Institute for Energy Innovation ved Carnegie Mellon, der er kendt for sit arbejde med at udvikle nye teknologier til energilagring og -generering, Li og Wang skabte en dobbeltledende polymer/carbon-kompositmatrix, der har lithiummikropartikler jævnt fordelt overalt. Matrixen forbliver flydbar ved stuetemperatur, hvilket gør det muligt at skabe et tilstrækkeligt niveau af kontakt med den faste elektrolyt. Ved at kombinere den halvflydende metalanode med en granatbaseret fast keramisk elektrolyt, de var i stand til at cykle cellen ved 10 gange højere strømtæthed end celler med en fast elektrolyt og en traditionel lithiumfolieanode. Denne celle havde også en meget længere cykluslevetid end traditionelle celler.

"Denne nye forarbejdningsrute fører til en lithiummetalbaseret batterianode, der er flydende og har meget tiltalende sikkerhed og ydeevne sammenlignet med almindeligt lithiummetal. Implementering af nyt materiale som dette kan føre til trinvise ændringer i lithiumbaserede genopladelige batterier, og vi arbejder hårdt på at se, hvordan dette fungerer i en række batteriarkitekturer, " sagde Whitacre.

Forskerne mener, at deres metode kan have vidtrækkende virkninger. For eksempel, det kunne bruges til at skabe højkapacitetsbatterier til elektriske køretøjer og specialiserede batterier til brug i bærbare enheder, der kræver fleksible batterier. De mener også, at deres metoder kan udvides ud over lithium til andre genopladelige batterisystemer, inklusive natriummetalbatterier og kaliummetalbatterier og kan muligvis bruges til energilagring i netskala.