Dendrit-sikre batterier muliggjort af Zylon nanofibre

(Phys.org)-Et af de største problemer, der plager høj energi, lithium-metal batterier er dendritter, som dannes når noget af litium fra elektroden begynder at forgrenes uden for elektroden og ind i elektrolytten, forårsager kortslutninger. For at kontrollere dendritvækst, forskere bruger membranseparatorer til at forsøge at indeholde litium, men indtil videre har intet separatormateriale vist sig at være ideelt:keramiske separatorer er sprøde og danner revner, polymerseparatorer er mekanisk svage, og effektive nanofiber separatorer har hidtil været meget vanskelige at fremstille.

Nu i en ny undersøgelse offentliggjort i Nano bogstaver , Xiaoming Hao et al. kan have fundet et separatormateriale, der ser ud til at have alle de rigtige egenskaber til at realisere et dendrit-sikkert batteri. Forskerne samlede ultrasterke nanofibermembraner fremstillet af en type polymermikrofiber kaldet Zylon (eller PBO). Fordi Zylon er let og endnu stærkere end Kevlar, det er blevet brugt i flere højteknologiske applikationer, herunder NASAs Mars -rovere, rumelift -prototyper, og sportsudstyr såsom snowboards og tennisketsjere.

Her viste forskerne, at når Zylon mikrofibre eksfolieres til nanofibre og derefter støbes i tynde membraner, kombinationen af ​​styrke, elektrisk modstand, og høj varmetolerance gør dem til enestående gode membranseparatorer til forebyggelse af dendritvækst i lithiumbatterier.

"Den største betydning af dette arbejde er, at ultrastærke nanoporøse membraner fra eksfolierede zylon nanofibre udvikles, "medforfatter Jian Zhu ved Northwestern University i Evanston, Illinois, fortalt Phys.org . "Disse membraner kan tjene som højtydende batteriseparatorer til undertrykkelse af lithiumdendritter og tolerere ekstreme forhold, såsom høj temperatur. "

Sammenlignet med en af ​​de nuværende state-of-the-art batteriseparatorer, Celgard 2400, den nye nanofibermembran udviser fordele på flere områder. Efter 230 timers cykling af et batteri med Celgard 2400, elektrodeoverfladen ser moset ud med dendritisk lithiumvækst, der henviser til, at en elektrodeoverflade med den nye nanofibermembran forbliver glat, selv efter 700 timer. Dette forbud mod dendritdannelse resulterer i ydelsesfordele, herunder højere langsigtet stabilitet og højere effektivitet. De nye nanofiber-membraner er også mere varmetolerante, mens Celgard 2400 begynder at smelte ved cirka 125 °, hvilket forårsager batterisvigt, batterier med de nye membraner fortsætter med at fungere indtil 185 °, det punkt, hvor elektrolytten nedbrydes.

I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge strategier til lavpris masseproduktion af nanofibermembraner i industriel skala.

"Der er flere retninger for dette område i fremtiden, "Zhu sagde." En prioritet er, at vi leder efter alternative syntesemetoder med lavere omkostninger og mere miljøvenlighed til fremstilling af Zylon (PBO) nanofibre. Vores mål er at gøre disse membraner billige nok til at være mere attraktive for industrielle partnere. En anden retning er anvendelsen af ​​disse membraner i andre batterisystemer, som kan indebære dendritdannelse. "

Disse systemer inkluderer batterier baseret på svovl, natrium, eller aluminium, samt superkapacitorer. På grund af deres enestående egenskaber, nanofibrene kan også bruges til at forstærke styrken af ​​hydrogeler, aerogeler, og forskellige kompositmaterialer.

© 2016 Phys.org