De meeste van de huidige lithium-ionbatterijen, die alles aandrijven, van auto's tot telefoons, gebruik een vloeistof als elektrolyt tussen twee elektroden. Het gebruik van een vaste elektrolyt zou grote voordelen kunnen bieden voor zowel de veiligheid als de energieopslagcapaciteit, maar pogingen om dit te doen stuitten op onverwachte uitdagingen.

Onderzoekers melden nu dat het probleem mogelijk een onjuiste interpretatie is van hoe dergelijke batterijen falen. De nieuwe bevindingen, die nieuwe wegen zouden kunnen openen voor de ontwikkeling van lithiumbatterijen met vaste elektrolyten, worden gerapporteerd in het journaal Geavanceerde energiematerialen , in een paper van Yet-Ming Chiang, de Kyocera hoogleraar keramiek aan het MIT; W. Craig Carter, de POSCO-hoogleraar Materials Science and Engineering aan het MIT; en acht anderen.

De elektrolyt in een batterij is het materiaal tussen de positieve en negatieve elektroden - een soort vulling in de batterijsandwich. Telkens wanneer de batterij wordt opgeladen of leeg raakt, ionen (elektrisch geladen atomen of moleculen) gaan door de elektrolyt van de ene elektrode naar de andere.

Maar deze vloeibare elektrolyten kunnen ontvlambaar zijn, en ze zijn verantwoordelijk voor een aantal branden veroorzaakt door dergelijke batterijen. Ze zijn ook vatbaar voor de vorming van dendrieten - dunne, vingerachtige uitsteeksels van metaal die opgebouwd zijn uit één elektrode en, als ze helemaal tot aan de andere elektrode reiken, kan kortsluiting veroorzaken die de batterij kan beschadigen.

Onderzoekers hebben geprobeerd deze problemen te omzeilen door een elektrolyt te gebruiken dat is gemaakt van vaste materialen, zoals sommige keramiek. Dit zou het ontvlambaarheidsprobleem kunnen elimineren en andere grote voordelen bieden, maar tests hebben aangetoond dat dergelijke materialen de neiging hebben enigszins grillig te presteren en meer vatbaar zijn voor kortsluiting dan verwacht.

Het probleem, volgens deze studie, is dat onderzoekers zich hebben gericht op de verkeerde eigenschappen in hun zoektocht naar een vast elektrolytmateriaal. Het heersende idee was dat de stevigheid of zachtheid van het materiaal (een eigenschap die afschuifmodulus wordt genoemd) bepaalde of dendrieten in de elektrolyt konden doordringen. Maar de nieuwe analyse toonde aan dat de gladheid van het oppervlak het belangrijkst is. Microscopisch kleine inkepingen en krassen op het oppervlak van de elektrolyt kunnen een houvast bieden voor de metalen afzettingen om hun weg naar binnen te dringen, vonden de onderzoekers.

Dit suggereert, Chiang zegt, dat eenvoudigweg focussen op het verkrijgen van gladdere oppervlakken het probleem van dendrietvorming in batterijen met een vast elektrolyt zou kunnen elimineren of sterk verminderen. Naast het vermijden van het ontvlambaarheidsprobleem dat gepaard gaat met vloeibare elektrolyten, deze benadering zou het mogelijk kunnen maken om ook een vaste lithiummetaalelektrode te gebruiken. Als u dit wel doet, kan de energiecapaciteit van een lithium-ionbatterij mogelijk verdubbelen, dat wil zeggen:het vermogen om energie op te slaan voor een bepaald gewicht, wat cruciaal is voor zowel voertuigen als draagbare apparaten.

"De vorming van dendrieten, leidend tot eventuele kortsluitingsstoringen, is de belangrijkste reden dat oplaadbare lithium-metaalbatterijen niet mogelijk waren, " legt Chiang uit. (Lithium-metaalelektroden worden vaak gebruikt in niet-oplaadbare batterijen, maar dat komt omdat dendrieten zich pas tijdens het laadproces vormen.)

Het probleem van dendrietvorming in oplaadbare lithiumbatterijen werd voor het eerst onderkend in het begin van de jaren zeventig, Chiang zegt, "en 45 jaar later is dat probleem nog steeds niet opgelost. Maar het doel is nog steeds prikkelend, " vanwege het potentieel om de capaciteit van een batterij te verdubbelen door lithium-metaalelektroden te gebruiken.

In de afgelopen jaren, een aantal groepen heeft geprobeerd vaste elektrolyten te ontwikkelen als een manier om het gebruik van lithiummetaalelektroden mogelijk te maken. Er wordt aan twee hoofdtypen gewerkt, Chiang zegt:lithium fosforsulfiden, en metaaloxiden. Met al deze onderzoeksinspanningen, een van de heersende gedachten was dat het materiaal stijf moest zijn, niet elastisch. Maar deze materialen hebben de neiging om inconsistente en verwarrende resultaten te laten zien in laboratoriumtests.

Het idee klopte, Chiang zegt:een stijver materiaal zou beter bestand moeten zijn tegen iets dat in het oppervlak probeert te drukken. Maar het nieuwe werk waarin het team monsters van vier verschillende soorten potentiële vaste elektrolytmaterialen testte en de details observeerde van hoe ze presteerden tijdens laad- en ontlaadcycli, toonde aan dat de manier waarop dendrieten zich in stijve vaste materialen vormen een heel ander proces volgt dan die in vloeibare elektrolyten.

Op de vaste oppervlakken, lithium van een van de elektroden begint te worden afgezet, door een elektrochemische reactie, op elk klein defect dat bestaat op het oppervlak van de elektrolyt, inclusief kleine putjes, scheuren, en krassen. Zodra de eerste aanbetaling zich op een dergelijk defect heeft gevormd, het blijft bouwen - en, verrassend genoeg, de opbouw strekt zich uit vanaf de punt van de dendriet, niet van zijn basis, terwijl het zich een weg baant naar de vaste stof, zich als een wig gedragend en een steeds grotere scheur openend.

Deze materialen zijn "zeer gevoelig voor het aantal en de grootte van oppervlaktedefecten, niet aan de bulkeigenschappen" van het materiaal, zegt Chiang. "Het is de scheurvoortplanting die tot falen leidt. ... Het vertelt ons dat we ons meer moeten concentreren op de kwaliteit van de oppervlakken, over hoe soepel en foutloos we deze solide elektrolytfilms kunnen maken."

"Ik geloof dat dit hoogwaardige en nieuwe werk het denken over het maken van praktische lithium-metaal solid-state batterijen zal resetten, " zegt Alan Luntz, een adviserende professor voor onderzoek naar metaal-luchtbatterijen aan de Stanford University, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "De auteurs hebben aangetoond dat een ander mechanisme lithiummetaalkortsluiting in lithium-vaste-stofbatterijen regelt dan in vloeibare of polymere lithium-metaalbatterijen waar dendrieten worden gevormd ... Dit impliceert dat als lithium-metaal-vastestofbatterijen ooit praktische stroomdichtheden zullen hebben, dan is een zorgvuldige minimalisering van alle structurele defecten aan de lithiummetaal- en elektrolytinterface essentieel, " hij zegt.

Luntz voegt toe, "Ik beschouw het als een uiterst belangrijke bijdrage aan het doel om alle solid-state batterijen praktisch en veilig te ontwikkelen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.