Solid-ion ledere for sikrere batterier

Lithiummetal er en af ​​de mest lovende kandidater til næste generations batterianoder på grund af dets usædvanligt høje specifikke kapacitet. Imidlertid, dens udbredte brug hindres af en udfordrende hindring:ved flere opladnings-afladningscyklusser, fraktale filamenter kaldet dendritter kan vokse gennem elektrolytten fra den negative til den positive elektrode og kortslutte batteriet indefra, udgør derfor et stort sikkerhedsproblem.

I et blad udgivet i Naturmaterialer , Venkat Viswanathan, en lektor ved Carnegie Mellon's Department of Mechanical Engineering, og hans medforfattere behandlede dette problem ved at undersøge, hvordan en solid-ion-leder (SIC) - en komponent, der kan bruges som en separator mellem anoden og elektrolytten - kan forhindre dendritter.

De udtænkte først en teoretisk model for at etablere designreglerne, som SIC'er skal overholde for at opnå elektroaflejringscyklusstabilitet. Fra denne model, de lærte, at denne stabilitet er afhængig af hovedsagelig to egenskaber ved SIC:dens forskydningsmodul, et mål for stivhed, og volumenet optaget af en lithium-ion, når den bevæger sig gennem SIC.

Materialer med lavt forskydningsmodul og lille lithiumvolumen undertrykker dendritter, mens materialer med højt modul og stort lithiumvolumen blokerer dem. Dette giver anledning til to stabilitetsområder:en dendrit-undertrykkende, og en dendrit-blokerende. Mens dendrit-blokerende regime allerede var velkendt og undersøgt inden for elektrokemi, det dendrit-undertrykkende domæne var endnu ikke blevet udforsket.

At se det store hav af muligheder for videnskabelige fremskridt inden for denne tidligere uanerkendte stabilitetsregion, gennem samarbejde med Brett Helms' gruppe ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), teamet konstruerede en polymer-baseret komposit SIC designet specifikt til at undersøge dette dendrit-undertrykkende regime og validere deres hypotese.

Ved at bruge en række både beregningsmæssige og eksperimentelle teknikker, de demonstrerede, at dette nye materiale, ved at få adgang til et tidligere ukendt stabilitetsdomæne, kan faktisk omgå dendrit-hindringen, der hjemsøger brugen af ​​lithiummetal som en højkapacitetsanode.

Deres arbejde kan tjene som et springbræt for yderligere fremskridt mod næste generations batterier, nødvendige for at drive spændende nye teknologier såsom flyvende biler.

Papiret, med titlen "Universelle kemomekaniske designregler for solid-ion-ledere for at forhindre dendritdannelse i lithiummetalbatterier, " blev offentliggjort i Naturmaterialer i april 2020.