Ny belægning bringer lithiummetalbatteri tættere på virkeligheden

Håbet er blevet genoprettet for det genopladelige litiummetalbatteri - et potentielt batterikraftværk henvist i årtier til laboratoriet af dets korte levetid og lejlighedsvis flammende død, mens dets genopladelige søskende, lithium-ion-batteriet, trækker nu mere end 30 milliarder dollar ind om året.

En ny belægning kan gøre lette lithiummetalbatterier sikre og langtidsholdbare, en velsignelse for udviklingen af ​​næste generations elbiler. (Billedkredit:Shutterstock)

Et team af forskere ved Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory har opfundet en belægning, der overvinder nogle af batteriets defekter, beskrevet i et papir udgivet 26. august i Joule .

I laboratorietests, belægningen forlængede batteriets levetid betydeligt. Det behandlede også forbrændingsproblemet ved i høj grad at begrænse de små nålelignende strukturer - eller dendritter - der gennemborer separatoren mellem batteriets positive og negative sider. Udover at ødelægge batteriet, dendritter kan skabe en kortslutning i batteriets brændbare væske. Lithium-ion-batterier har nogle gange det samme problem, men dendritter har været en ikke-starter for genopladelige lithiummetalbatterier til dato.

"Vi adresserer den hellige gral af lithiummetalbatterier, " sagde Zhenan Bao, professor i kemiteknik, der er seniorforfatter af papiret sammen med Yi Cui, professor i materialevidenskab og -teknik og i fotonvidenskab ved SLAC. Bao tilføjede, at dendritter havde forhindret lithiummetalbatterier i at blive brugt i, hvad der kan være den næste generation af elektriske køretøjer.

Løftet

Litiummetalbatterier kan rumme mindst en tredjedel mere strøm pr. Pund, som lithium-ion-batterier gør og er betydeligt lettere, fordi de bruger let lithium til den positivt ladede ende frem for tungere grafit. Hvis de var mere pålidelige, disse batterier kan gavne bærbar elektronik fra notebook computere til mobiltelefoner, men den virkelige løn snavs, Cui sagde, ville være til biler. Det største træk ved elektriske køretøjer er, at deres batterier bruger omkring en fjerdedel af deres energi på at transportere sig selv. Det kommer til kernen i EV -rækkevidde og -omkostninger.

"Kapaciteten af ​​konventionelle lithium-ion-batterier er blevet udviklet næsten så langt, som den kan nå, " sagde Stanford Ph.D.-studerende David Mackanic, medforfatter af undersøgelsen. "Så, det er afgørende at udvikle nye slags batterier for at opfylde de aggressive krav til energitæthed i moderne elektroniske enheder."

Holdet fra Stanford og SLAC testede deres belægning på den positivt ladede ende - kaldet anoden - af et standard litiummetalbatteri, det er der dendritter typisk dannes. Ultimativt, de kombinerede deres specialcoatede anoder med andre kommercielt tilgængelige komponenter for at skabe et fuldt funktionsdygtigt batteri. Efter 160 cykler, deres lithiummetalceller leverede stadig 85 procent af den strøm, de gjorde i deres første cyklus. Regelmæssige lithiummetalceller leverer cirka 30 procent efter mange cyklusser, gør dem næsten ubrugelige, selvom de ikke eksploderer.

Den nye belægning forhindrer dendritter i at dannes ved at skabe et netværk af molekyler, der leverer ladede lithiumioner til elektroden ensartet. Det forhindrer uønskede kemiske reaktioner, der er typiske for disse batterier, og reducerer også en kemisk opbygning på anoden, som hurtigt ødelægger batteriets evne til at levere strøm.

"Vores nye belægningsdesign gør lithiummetalbatterier stabile og lovende til videre udvikling, " sagde den anden medhovedforfatter, Stanford Ph.D. studerende Zhiao Yu.

Gruppen forfiner nu deres belægningsdesign for at øge kapacitetsfastholdelsen og teste celler over flere cyklusser.

"Mens brug i elektriske køretøjer kan være det ultimative mål, "sagde Cui, "Kommercialisering vil sandsynligvis starte med forbrugerelektronik for at demonstrere batteriets sikkerhed først."