Forskere opfinder selvhelbredende batterielektrode

Forskere har lavet den første batterielektrode, der helbreder sig selv, at åbne en ny og potentielt kommercielt levedygtig vej for at lave den næste generation af lithium-ion-batterier til elbiler, mobiltelefoner og andre enheder. Hemmeligheden er en elastisk polymer, der dækker elektroden, binder det sammen og helbreder spontant små revner, der udvikler sig under batteridrift, sagde holdet fra Stanford University og Department of Energy's (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory.

De rapporterede fremrykningen i 19. november-udgaven af Naturkemi .

"Selvhelbredelse er meget vigtig for dyr og planters overlevelse og lange levetid, " sagde Chao Wang, en postdoc-forsker ved Stanford og en af ​​to hovedforfattere af papiret. "Vi ønsker at inkorporere denne funktion i lithium-ion-batterier, så de også vil have en lang levetid."

Chao udviklede den selvhelbredende polymer i laboratoriet hos Stanford Professor Zhenan Bao, hvis gruppe har arbejdet på fleksibel elektronisk hud til brug i robotter, sensorer, protetiske lemmer og andre applikationer. Til batteriprojektet tilføjede han små nanopartikler af kulstof til polymeren, så den ville lede elektricitet.

"Vi fandt ud af, at siliciumelektroder holdt 10 gange længere, når de blev belagt med den selvhelbredende polymer, som reparerede eventuelle revner inden for få timer, " sagde Bao.

"Deres kapacitet til at lagre energi er i det praktiske område nu, men det vil vi bestemt gerne presse på, " sagde Yi Cui, en lektor ved SLAC og Stanford, der ledede forskningen sammen med Bao. Elektroderne arbejdede i omkring 100 ladningsudladningscyklusser uden at miste deres energilagringskapacitet væsentligt. "Det er stadig et stykke vej fra målet om omkring 500 cyklusser for mobiltelefoner og 3, 000 cyklusser for et elektrisk køretøj, " sagde Cui, "men løftet er der, og ud fra alle vores data ser det ud til, at det virker."

Forskere verden over er i ræs for at finde måder at lagre mere energi i de negative elektroder på lithium-ion-batterier for at opnå højere ydeevne og samtidig reducere vægten. Et af de mest lovende elektrodematerialer er silicium; den har en høj kapacitet til at opsuge lithium-ioner fra batterivæsken under opladning og derefter frigive dem, når batteriet sættes i arbejde.

Men denne høje kapacitet har en pris:Siliciumelektroder svulmer op til tre gange normal størrelse og skrumper ned igen, hver gang batteriet oplades og aflades, og det sprøde materiale revner hurtigt og falder fra hinanden, forringende batteriydelse. Dette er et problem for alle elektroder i batterier med høj kapacitet, sagde Hui Wu, en tidligere Stanford postdoc, som nu er fakultetsmedlem ved Tsinghua University i Beijing, avisens anden hovedforfatter.

For at lave den selvhelbredende belægning, videnskabsmænd svækkede bevidst nogle af de kemiske bindinger i polymerer - lange, kædelignende molekyler med mange identiske enheder. Det resulterende materiale går let i stykker, men de knækkede ender trækkes kemisk til hinanden og hænger hurtigt sammen igen, efterligne den proces, der tillader biologiske molekyler som DNA at samle sig, omarrangere og bryde ned.

Forskere i Cuis laboratorium og andre steder har testet en række måder at holde siliciumelektroder intakte på og forbedre deres ydeevne. Nogle bliver udforsket til kommerciel brug, men mange involverer eksotiske materialer og fremstillingsteknikker, der er udfordrende at skalere op til produktion.

Den selvhelbredende elektrode, som er fremstillet af siliciummikropartikler, der er meget udbredt i halvleder- og solcelleindustrien, er den første løsning, der ser ud til at tilbyde en praktisk vej fremad, sagde Cui. Forskerne sagde, at de tror, ​​at denne tilgang også kunne fungere for andre elektrodematerialer, og de vil fortsætte med at forfine teknikken for at forbedre siliciumelektrodens ydeevne og levetid.