Flydende krystallers overraskende styrke

Dendritter er de ødelæggende biprodukter af cyklussen med opladning og afladning af lithium-ion-batterier. Disse små aflejringer dannes mellem batteriets anode og katode, opbygges over tid. uundgåeligt, de formindsker batterilevetiden. Mere problematisk er deres risiko for at få batteriet til at bryde i flammer. I jagten på sikrere og længerevarende batterier - især til elbiler, lastbiler, og fly – forskere fortsætter med at udforske metoder til at undertrykke dannelsen af ​​dendritter.

Forskere ved Carnegie Mellon University har fundet ud af, at flydende krystaller kan bruges som elektrolytter med lithiummetalanoder i batterier for at undertrykke dendritvækst. Flydende krystaller repræsenterer en ny klasse af materialer, der har egenskaber, der er forskellige fra konventionelle væsker og faste stoffer. Dendritundertrykkelsen sker på grund af flydende krystalmolekylers tendens til at stille sig op i et ordnet arrangement.

I resultater offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskerholdet foreslog forskellige designkriterier for at vælge flydende krystaller som batterielektrolytter, der kan muliggøre velfungerende lithiummetalbatterier.

"Dette omfattende sæt af designregler på molekylært niveau vil bane vejen for realiseringen af ​​denne nye klasse af elektrolytter til praktiske lithiummetalbatterier, " sagde Venkat Viswanathan, lektor i maskinteknik ved Carnegie Mellon.

"Batterier med øget energitæthed er afgørende for at muliggøre masseelektrificering af transport. Lithiummetalanoder tilbyder en lovende tilgang til at forbedre batteriernes energitæthed, men dendritdannelsen plager lithiummetalanoders sikkerhed og cykluslevetid, " sagde Zeeshan Ahmad, hovedforfatteren på papiret.

Resultaterne bygger på forskerholdets tidligere arbejde med dendritundertrykkelse ved hjælp af faste elektrolytter. Selvom faste elektrolytter giver overlegen dendritundertrykkelse, de har langsommere lithium-ion-ledningsevne og kan ikke nemt integreres i de nuværende lithium-ion-batterier. Væsker, på den anden side, har hurtigere ledningsevne, men kan ikke undertrykke dendritter.

De flydende krystalmaterialer ligger et sted imellem, fordi de har en eller anden orienteringsorden, men ingen positionsorden som faste stoffer. De integreres let i nuværende lithium-ion-batterier, er sikrere, og tilbyde spontan dendritundertrykkelse.

Flydende krystaller har en ulempe:deres stabilitet er i øjeblikket ikke så god som i nuværende flydende elektrolytter. Det næste trin i denne forskningslinje er at undersøge flydende krystallinske materialer yderligere, så de kan opfylde alle designkriterier for fremtidige batterier.