Nyt elektrodedesign kan føre til kraftigere batterier

Ny forskning fra ingeniører ved MIT og andre steder kan føre til batterier, der kan pakke mere strøm pr. pund og holde længere, baseret på det længe søgte mål om at bruge rent lithiummetal som en af ​​batteriets to elektroder, anoden.

Det nye elektrodekoncept kommer fra laboratoriet hos Ju Li, Battelle Energy Alliance professor i nuklear videnskab og teknik og professor i materialevidenskab og teknik. Det er beskrevet i journalen Natur , i et papir medforfatter af Yuming Chen og Ziqiang Wang ved MIT, sammen med 11 andre på MIT og i Hong Kong, Florida, og Texas.

Designet er en del af et koncept for udvikling af sikre all-solid-state batterier, dispensering med væske- eller polymergelen, der normalt anvendes som elektrolytmateriale mellem batteriets to elektroder. En elektrolyt tillader lithium-ioner at rejse frem og tilbage under batteriets op- og afladningscyklusser, og en helt fast version kunne være sikrere end flydende elektrolytter, som har høj volatilitet og har været kilden til eksplosioner i lithiumbatterier.

"Der har været meget arbejde med solid-state batterier, med lithiummetalelektroder og faste elektrolytter, "Li siger, men disse bestræbelser har mødt en række problemer.

Et af de største problemer er, at når batteriet er ladet op, atomer akkumuleres inde i lithiummetallet, får det til at udvide sig. Metallet krymper så igen under udledning, efterhånden som batteriet bruges. Disse gentagne ændringer i metallets dimensioner, lidt ligesom processen med indånding og udånding, gør det vanskeligt for de faste stoffer at opretholde konstant kontakt, og har tendens til at få den faste elektrolyt til at brække eller løsne sig.

Et andet problem er, at ingen af ​​de foreslåede faste elektrolytter er virkelig kemisk stabile, mens de er i kontakt med det meget reaktive lithiummetal, og de har en tendens til at nedbrydes over tid.

De fleste forsøg på at overvinde disse problemer har fokuseret på at designe faste elektrolytmaterialer, der er absolut stabile over for lithiummetal, hvilket viser sig at være svært. I stedet, Li og hans team adopterede et usædvanligt design, der bruger to ekstra klasser af faste stoffer, "blandede ion-elektroniske ledere" (MIEC) og "elektron- og Li-ion-isolatorer" (ELI), som er absolut kemisk stabile i kontakt med lithiummetal.

Forskerne udviklede en tredimensionel nanoarkitektur i form af en honeycomb-lignende række af sekskantede MIEC-rør, delvist infunderet med det faste lithiummetal for at danne en elektrode på batteriet, men med ekstra plads tilbage inde i hvert rør. Når lithium udvides i opladningsprocessen, det flyder ind i det tomme rum i det indre af rørene, bevæger sig som en væske, selvom den bevarer sin faste krystallinske struktur. Dette flow, helt begrænset inde i bikagestrukturen, lindrer trykket fra udvidelsen forårsaget af opladning, men uden at ændre elektrodens ydre dimensioner eller grænsen mellem elektroden og elektrolytten. Det andet materiale, ELI, fungerer som et afgørende mekanisk bindemiddel mellem MIEC-væggene og det faste elektrolytlag.

"Vi designede denne struktur, der giver os tredimensionelle elektroder, som en honningkage, " siger Li. De tomrum i hvert rør i strukturen gør det muligt for lithium at "krybe baglæns" ind i rørene, "og på den måde det opbygger ikke stress for at knække den faste elektrolyt." Det ekspanderende og sammentrækkende lithium inde i disse rør bevæger sig ind og ud, lidt som en bilmotors stempler inde i deres cylindre. Fordi disse strukturer er bygget i nanoskala dimensioner (rørene er omkring 100 til 300 nanometer i diameter, og snesevis af mikrometer i højden), resultatet er som "en motor med 10 milliarder stempler, med lithiummetal som arbejdsvæske, " siger Li.

Fordi væggene i disse honeycomb-lignende strukturer er lavet af kemisk stabil MIEC, lithium mister aldrig elektrisk kontakt med materialet, siger Li. Dermed, hele det solide batteri kan forblive mekanisk og kemisk stabilt, mens det gennemgår sine brugscyklusser. Holdet har bevist konceptet eksperimentelt, at sætte en testanordning igennem 100 cyklusser med opladning og afladning uden at frembringe brud på de faste stoffer.

Li siger, at selvom mange andre grupper arbejder på, hvad de kalder solide batterier, de fleste af disse systemer fungerer faktisk bedre med noget flydende elektrolyt blandet med det faste elektrolytmateriale. "Men i vores tilfælde, " han siger, "det er virkelig alt sammen fast. Der er ingen væske eller gel i det af nogen art."

Det nye system kan føre til sikre anoder, der kun vejer en fjerdedel så meget som deres konventionelle modstykker i lithium-ion-batterier, for samme mængde lagerkapacitet. Hvis det kombineres med nye koncepter for letvægtsversioner af den anden elektrode, katoden, dette arbejde kan føre til væsentlige reduktioner i den samlede vægt af lithium-ion-batterier. For eksempel, holdet håber, at det kan føre til mobiltelefoner, der kun kan oplades en gang hver tredje dag, uden at gøre telefonerne tungere eller større.

Et nyt koncept for en lettere katode blev beskrevet af et andet hold ledet af Li, i et papir, der udkom sidste måned i bladet Naturenergi , medforfatter af MIT postdoc Zhi Zhu og kandidatstuderende Daiwei Yu. Materialet ville reducere brugen af ​​nikkel og kobolt, som er dyre og giftige og bruges i nutidens katoder. Den nye katode er ikke kun afhængig af kapacitetsbidraget fra disse overgangsmetaller i battericykling. I stedet, det ville stole mere på iltens redoxkapacitet, som er meget lettere og mere rigeligt. Men i denne proces bliver oxygenionerne mere mobile, hvilket kan få dem til at undslippe katodepartiklerne. Forskerne brugte en højtemperatur overfladebehandling med smeltet salt til at producere et beskyttende overfladelag på partikler af mangan- og lithiumrigt metaloxid, så mængden af ​​ilttab reduceres drastisk.

Selvom overfladelaget er meget tyndt, kun 5 til 20 nanometer tyk på en 400 nanometer bred partikel, det giver god beskyttelse af det underliggende materiale. "Det er næsten som immunisering, "Li siger, mod de destruktive virkninger af ilttab i batterier, der bruges ved stuetemperatur. De nuværende versioner giver mindst 50 procent forbedring i mængden af ​​energi, der kan lagres for en given vægt, med meget bedre cykelstabilitet.

Holdet har kun bygget små enheder i laboratorieskala indtil videre, men "Jeg forventer, at dette kan opskaleres meget hurtigt, " siger Li. De nødvendige materialer, mest mangan, er væsentligt billigere end nikkel eller kobolt, der bruges af andre systemer, så disse katoder kunne koste så lidt som en femtedel så meget som de konventionelle versioner.