Nanoplader af grafenoxid kan hjælpe med at bringe lithium-metalbatterier på markedet

Lithium-metal-batterier - som kan holde op til 10 gange mere opladning end de lithium-ion-batterier, der i øjeblikket driver vores telefoner, bærbare computere og biler - er ikke blevet kommercialiseret på grund af en fatal fejl:da disse batterier oplades og aflades, lithium aflejres ujævnt på elektroderne. Denne opbygning reducerer disse batteriers levetid for kort til at gøre dem levedygtige, og endnu vigtigere, kan få batterierne til at kortslutte og tage ild.

Nu, forskere ved University of Illinois i Chicago har udviklet en løsning på dette problem i form af et grafenoxidbelagt 'nanoark', der, når de placeres mellem de to elektroder i et lithium-metalbatteri, forhindrer ujævn plettering af lithium og tillader batteriet at fungere sikkert i hundredvis af opladnings-/afladningscyklusser. De rapporterer deres resultater i journalen Avancerede funktionelle materialer .

"Vores resultater viser, at todimensionelle materialer - i dette tilfælde, grafenoxid – kan hjælpe med at regulere lithiumaflejring på en sådan måde, at det forlænger levetiden af ​​lithiummetalbatterier, " sagde Reza Shahbazian-Yassar, lektor i maskin- og industriteknik ved UIC College of Engineering og tilsvarende forfatter til papiret.

Lithium-metal batterier er så nyttige på grund af deres høje energitæthed og relativt lette vægte sammenlignet med konventionelle batterier. Imidlertid, i løbet af mange opladnings-afladningscyklusser, lithium opbygges ujævnt på batteriets lithiummetalelektrode i et forgrenet eller 'dendritisk' mønster og får i sidste ende batteriet til at gå dødt. Hvis dendritterne vokser gennem elektrolytopløsningen og kommer i kontakt med den anden elektrode, så kan batteriet opleve en katastrofal hændelse – med andre ord, en eksplosion eller brand.

I lithium-ion-batterier, en separator anbringes i elektrolytten. Normalt lavet af en porøs polymer eller glaskeramiske fibre, separatoren tillader lithium-ioner at strømme igennem, mens de andre komponenter holdes blokerede for at forhindre elektriske kortslutninger, som kan føre til brande.

Reza og kolleger brugte en modificeret separator i et lithium-metalbatteri til at modulere strømmen af ​​lithiumioner for at kontrollere hastigheden af ​​lithiumaflejring og se, om de kunne forhindre dendritter i at dannes. De sprøjtede en glasfiberudskiller med grafenoxid, producerer, hvad de kaldte et nanoark.

Ved hjælp af scanningselektronmikroskopi og andre billeddannelsesteknikker, forskerne viste, at når nanopladen blev brugt i et lithium-metalbatteri, en ensartet film af lithium dannet på lithiumelektrodens overflade, som faktisk forbedrer batterifunktionen og gør batteriet meget mere sikkert, sagde Tara Foroozan, en kandidatstuderende ved UIC College of Engineering og førsteforfatter på denne undersøgelse.

Molekylær simulering, ledet af et team af forskere fra Texas A &M University, foreslog, at litiumionerne midlertidigt blev bundet til grafenoxidet, og diffunderer derefter gennem områder med nanoskopiske defekter i arket. Dette forsinker passagen af ​​lithiumioner nok til at forhindre dannelsen af ​​dendritisk aflejring af lithium på elektroden.

"Nanoarket sænker passagen af ​​lithiumioner nok til at muliggøre mere ensartet plettering på lithiumioner på tværs af elektrodens overflade, som hjælper med at bevare batterilevetiden, " sagde Reza.

Resultater af fasefeltmodelleringsberegninger ledet af Farzad Mashayek, professor og leder af maskin- og industriteknik i UIC College of Engineering og en forfatter på papiret, indikerede, at grafenoxid også mekanisk kan undertrykke væksten af ​​lithiumdendritter.

"Vi viser, at todimensionelle grafenoxidmaterialer er i stand til at hindre dannelsen af ​​dendritter ved at ændre hastigheden af ​​lithium-ion-diffusion, når de passerer gennem grafenoxidlagene, " sagde Shahbazian-Yassar. "Denne metode har et meget stort potentiale for industriel anvendelse og skalerbarhed."