Onderzoekers van de Virginia Commonwealth University werken aan het verbeteren van de geleidbaarheid en veiligheid in lithium-ionbatterijen, die worden gebruikt om veel elektronische apparaten over de hele wereld van stroom te voorzien, inclusief laptops, iPods, satellieten, kunstmatige harten en mobiele telefoons.

Instabiliteit in lithium-ionbatterijen als gevolg van elektrolyten in vloeibare toestand die helpen ladingen van de ene batterij-elektrode naar de andere te transporteren, is een gevaar dat wetenschappers kunnen voorkomen, zei Puru Jena, doctoraat, een vooraanstaand professor in de afdeling Natuurkunde van het College of Humanities and Sciences. Ondanks deze instabiliteit, elektrolyten in vloeibare toestand zijn gebruikelijk in lithium-ionbatterijen vanwege hun geleidende superioriteit ten opzichte van stabielere elektrolyten in vaste toestand.

Theoretische studies door Jena en collega Hong Fang, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde, laten zien dat het mogelijk is om vastestofelektrolyten niet alleen zo geleidend te maken als hun vloeibare tegenhangers, maar ook zeer stabiel. Hun bevindingen, die werden gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences deze maand, zou kunnen leiden tot veiligere en krachtigere lithium-ionbatterijen.

"Theoretisch, je kunt je cake hebben en hem ook opeten, als het gaat om de stabiliteit en geleidbaarheid, ' zei Jena.

elektrolyten, die centraal staan ​​in een batterij, zijn zouten die zijn samengesteld uit positieve en negatieve ionen. Positieve ionen zijn atomen die meer protonen hebben dan elektronen, terwijl negatieve ionen omgekeerd meer elektronen hebben dan protonen.

In een lithium-ionbatterij, positieve lithiumionen stromen tussen elektroden via elektrolyten. Lithiumionen kunnen vrij door elektrolyten in vloeibare toestand stromen, maar zijn minder mobiel in een elektrolyt in vaste toestand, wat de geleidbaarheid nadelig beïnvloedt.

Om de geleidbaarheid in elektrolyten in vaste toestand te verbeteren, de onderzoekers produceerden een rekenmodel waarin een enkel negatief ion wordt verwijderd. Negatieve clusterionen - groepen atomen met meer elektronen dan protonen - vervangen het afwezige ion.

De wetenschappers bedachten een draai aan een specifieke elektrolyt in vaste toestand die eerder door andere onderzoekers was getest. Oorspronkelijk, de elektrolyt, die behoort tot een familie van kristallen genaamd antiperovskieten, bevatte positieve ionen gemaakt van drie lithiumatomen en één zuurstofatoom. De positieve ionen waren verbonden met een enkel chlooratoom dat een negatief ion was.

In het rekenmodel is het chlooratoom wordt vervangen door een negatief clusterion gecreëerd door één booratoom en vier fluoratomen verbonden met de bestaande positieve ionen.

Andere combinaties van negatieve clusterionen werden geïdentificeerd om de geleidbaarheid mogelijk te verbeteren.

"Het vervangen van het chloorion door clusterionen verbetert de geleidbaarheid omdat deze ionen groter zijn en de lithiumionen snel laten bewegen, alsof ze in een vloeistof waren, ' zei Fang.

Jena en Fang zijn nu op zoek naar medewerkers om hun rekenmodel in een laboratoriumomgeving te testen voor eventuele lithium-ionbatterijtoepassingen.