Studie baner vej for større, sikrere lithium-ion-batterier

(Phys.org) – Ser mod forbedrede batterier til opladning af elbiler og lagring af energi fra vedvarende, men intermitterende sol- og vindenergi, forskere ved Oak Ridge National Laboratory har udviklet den første højtydende, nanostruktureret fast elektrolyt til mere energitætte lithium-ion-batterier.

Nutidens lithium-ion-batterier er afhængige af en flydende elektrolyt, det materiale, der leder ioner mellem den negativt ladede anode og den positive katode. Men flydende elektrolytter medfører ofte sikkerhedsproblemer på grund af deres brændbarhed, især da forskere forsøger at pakke mere energi i et mindre batterivolumen. Opbygning af batterier med en solid elektrolyt, som ORNL-forskere har vist, kunne overvinde disse sikkerhedsproblemer og størrelsesbegrænsninger.

"For at gøre en sikrere, letvægts batteri, vi har brug for designet i begyndelsen for at have sikkerhed i tankerne, " sagde ORNLs Chengdu Liang, der ledede den nyligt offentliggjorte undersøgelse i Journal of the American Chemical Society . "Vi startede med et konventionelt materiale, der er meget stabilt i et batterisystem - især et, der er kompatibelt med en lithiummetalanode."

Evnen til at bruge rent lithiummetal som anode kunne i sidste ende give batterier fem til 10 gange stærkere end nuværende versioner, som anvender kulstofbaserede anoder.

"Cykling af meget reaktivt lithiummetal i brændbare organiske elektrolytter forårsager alvorlige sikkerhedsproblemer, " sagde Liang. "En solid elektrolyt gør det muligt for lithiummetallet at cykle godt, med stærkt forbedret sikkerhed."

ORNL-teamet udviklede sin faste elektrolyt ved at manipulere et materiale kaldet lithiumthiophosphat, så det kunne lede ioner 1, 000 gange hurtigere end dens naturlige bulkform. Forskerne brugte en kemisk proces kaldet nanostrukturering, som ændrer strukturen af ​​de krystaller, der udgør materialet.

"Tænk over det i form af en stor krystal af kvarts vs. meget fint strandsand, " sagde medforfatter Adam Rondinone. "Du kan have den samme samlede mængde materiale, men det er brudt op i meget små partikler, der er pakket sammen. Det er lavet af de samme atomer i nogenlunde samme proportioner, men på nanoskalaen er strukturen anderledes. Og nu leder dette faste materiale lithium-ioner med en meget større hastighed end den originale store krystal."

Forskerne fortsætter med at teste battericeller i laboratorieskala, og et patent på holdets opfindelse er under behandling.

"Vi bruger en stuetemperatur, løsningsbaseret reaktion, som vi mener let kan skaleres op, " sagde Rondinone. "Det er en energieffektiv måde at lave store mængder af dette materiale på."