Nyt polymermateriale kan hjælpe batterier med at blive selvhelbredende, genanvendeligt

Lithium-ion-batterier er berygtet for at udvikle interne elektriske kortslutninger, der kan antænde et batteris flydende elektrolytter, fører til eksplosioner og brande. Ingeniører ved University of Illinois har udviklet en solid polymerbaseret elektrolyt, der kan selvhelbredende efter skade - og materialet kan også genbruges uden brug af skrappe kemikalier eller høje temperaturer.

Den nye undersøgelse, som kunne hjælpe producenter med at producere genanvendeligt, selvhelbredende kommercielle batterier, er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Da lithium-ion-batterier gennemgår flere cyklusser af opladning og afladning, de udvikler små, grenlignende strukturer af fast lithium kaldet dendritter, sagde forskerne. Disse strukturer reducerer batteriets levetid, forårsage hotspots og elektriske kortslutninger, og nogle gange bliver store nok til at punktere de indre dele af batteriet, forårsager eksplosive kemiske reaktioner mellem elektroderne og elektrolytvæsker.

Der har været et skub fra kemikere og ingeniører for at erstatte de flydende elektrolytter i lithium-ion-batterier med faste materialer såsom keramik eller polymerer, sagde forskerne. Imidlertid, mange af disse materialer er stive og sprøde, hvilket resulterer i dårlig elektrolyt-til-elektrode-kontakt og reduceret ledningsevne.

"Fast ionledende polymerer er en mulighed for at udvikle ikke-flydende elektrolytter, " sagde Brian Jing, en kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik og medforfatter på studiet. "Men de høje temperaturforhold inde i et batteri kan smelte de fleste polymerer, igen resulterer i dendritter og svigt. "

Tidligere undersøgelser har produceret faste elektrolytter ved at bruge et netværk af polymertråde, der er tværbundet for at danne en gummiagtig lithiumleder. Denne metode forsinker væksten af ​​dendritter; imidlertid, disse materialer er komplekse og kan ikke genvindes eller heles efter beskadigelse, sagde Jing.

For at løse dette problem, forskerne udviklede en netværkspolymerelektrolyt, hvor krydsbindingspunktet kan gennemgå udvekslingsreaktioner og bytte polymerstrenge. I modsætning til lineære polymerer, disse netværk bliver faktisk stivere ved opvarmning, som potentielt kan minimere dendritproblemet, sagde forskerne. Derudover de kan let nedbrydes og resolideres til en netværksstruktur efter skade, gør dem genanvendelige, og de genopretter ledningsevnen efter at være blevet beskadiget, fordi de er selvhelbredende.

"Denne nye netværkspolymer viser også den bemærkelsesværdige egenskab, at både ledningsevne og stivhed øges med opvarmning, som ikke ses i konventionelle polymerelektrolytter, " sagde Jing.

"De fleste polymerer kræver stærke syrer og høje temperaturer for at nedbrydes, " sagde materialevidenskab og ingeniørprofessor og hovedforfatter Christopher Evans. "Vores materiale opløses i vand ved stuetemperatur, gør det til en meget energieffektiv og miljøvenlig proces."

Holdet undersøgte ledningsevnen af ​​det nye materiale og fandt dets potentiale som en effektiv batterielektrolyt lovende, sagde forskerne, men erkend, at der kræves mere arbejde, før det kan bruges i batterier, der kan sammenlignes med det, der er i brug i dag.

"Jeg synes, dette arbejde udgør en interessant platform for andre at teste, " sagde Evans. "Vi brugte en meget specifik kemi og en meget specifik dynamisk binding i vores polymer, men vi tror, ​​at denne platform kan omkonfigureres til at blive brugt sammen med mange andre kemier for at justere ledningsevnen og mekaniske egenskaber."