Team sigter mod at bremse dannelsen af ​​skadelige krystallignende masser i lithiummetalbatterier

Fra smartphones til elbiler, mange af nutidens teknologier kører på lithium-ion-batterier. Det betyder, at forbrugerne skal have deres opladere ved hånden. Et iPhone X-batteri holder kun til 21 timers taletid, og Teslas model S har en rækkevidde på 335 mil - hvilket betyder, at du kan forvente at lave den fra Newark, Delaware til Providence, Rhode Island, men ikke hele vejen til Boston, på én opladning.

Forskere over hele verden - inklusive selv opfinderen af ​​lithium-ion-batterier, John Goodenough – leder efter måder at gøre genopladelige batterier sikrere, lettere, og mere kraftfuld.

Nu, et internationalt team af forskere ledet af Bingqing Wei, en professor i maskinteknik ved University of Delaware og direktør for Center for Fuel Cells and Batteries, laver arbejde, der kunne lægge grundlaget for en mere udbredt brug af lithiummetalbatterier, der ville have mere kapacitet end de lithiumionbatterier, der almindeligvis bruges i forbrugerelektronik i dag. Holdet udviklede en metode til at afbøde dendritdannelse i lithiummetalbatterier, som de har beskrevet i et papir udgivet i Nano bogstaver .

Løftet (og faldgruberne) om lithiummetalbatterier

I et lithium-ion-batteri, anoden, eller strømgenererende side, er lavet af et materiale, såsom grafit, med lithium-ioner bundet til det. Lithium-ionerne strømmer til katoden, eller strømopsamlende side.

I et lithiummetalbatteri, anoden er lavet af lithiummetal. Elektroner strømmer fra anoden til katoden for at generere elektricitet. Genopladelige batterier lavet af lithiummetal lover meget, fordi lithium er det mest elektrisk positive metal og har en meget høj kapacitet.

"Teoretisk set, lithiummetal er et af de bedste valg til batterier, men det er svært at håndtere i praksis, " sagde Wei.

Lithiummetalbatterier har været ineffektive, ustabil, og endda en brandfare indtil videre. Deres ydeevne hæmmes af lithiumdendritter, formationer, der ligner bittesmå stalagmitter lavet af lithiumaflejringer. Når et batteri bliver brugt, lithium-ioner samles på anoden. Over tid, lithiumaflejringerne bliver uensartede, fører til dannelsen af ​​disse dendritter, hvilket kan få batteriet til at kortslutte.

En ny forståelse

Forskergrupper rundt om i verden har prøvet en række forskellige teknikker til at undertrykke dannelsen og væksten af ​​disse dendritter. Efter at have studeret litteraturen, Wei havde fundet ud af, at næsten alle de anvendte teknikker kunne forstås under en paraply:At indføre et lag af porøst materiale i systemet kunne afholde dendritter fra at samle sig på anoden.

Ved hjælp af matematisk modellering, forskerholdet fandt, at et porøst materiale undertrykte initieringen og væksten af ​​dendritter. De dendritter, der blev dannet, var 75 procent kortere end dem, der blev dannet i systemer, der manglede den porøse membran. For yderligere at bevise fundet, holdet fremstillede en membran lavet af små tråde af porøst siliciumnitrid, der hver målte mindre end en milliontedel meter. De integrerede derefter denne membran i lithiummetalceller i et batteri og kørte den i 3, 000 timer. Ingen dendritter voksede.

"Denne grundlæggende forståelse er muligvis ikke begrænset til det siliciumnitrid, vi brugte, " sagde Wei. "Andre porøse strukturer kan også gøre dette."

Hvad mere er, dette princip kan også omfatte andre batterisystemer, såsom zink- eller kaliumbaserede batterier, han sagde.

"I dette felt af metalbaserede batterier, dette er opdateret forståelse, " sagde han. "Dette er den slags arbejde, der kunne have stor indflydelse."