Naarmate onze liefde voor gadgets groeit, dat geldt ook voor de vraag naar batterijen die langer meegaan. Maar er is een probleem.

Om een ​​batterij met een langere levensduur te maken, het moet groter, en groter is niet beter als het gaat om mobiele telefoons of elektrische auto's - om nog maar te zwijgen van pacemakers.

Lithium-ionbatterijen hebben al een minder goede reputatie:denk aan exploderende mobiele telefoons of branden in vliegtuigen. Naast deze bestaande problemen, wanneer onderzoekers proberen deze batterijen te verkleinen zonder de prestaties in gevaar te brengen, de resultaten zijn nog onstabieler en vatbaarder voor kortsluiting; ingenieurs zijn niet in staat geweest om voorbij deze problemen te komen.

Onderzoekers van de Washington University in St. Louis hebben nieuwe inzichten in de oorzaak - of oorzaken - van deze problemen, de weg vrijmaken voor kleinere, veiliger, meer energierijke batterijen. Het resultaat van hun werk is onlangs online gepubliceerd in het tijdschrift Joule .

Peng Bai, universitair docent bij de School of Engineering &Applied Science, heeft drie belangrijke huidige grenzen geïdentificeerd als het gaat om deze energierijke lithium-metaalbatterijen. Het blijkt, ingenieurs waren op zoek naar één oplossing voor wat later drie problemen bleek te zijn.

Een lithium-ionbatterij bestaat uit drie lagen:een laag laagspanningsmateriaal (grafiet), de anode genoemd; een van hoogspanningsmateriaal (lithiumkobaltoxide) genaamd de kathode; en een laag poreus plastic die de twee scheidt.

De separator wordt bevochtigd door een vloeistof die elektrolyt wordt genoemd. Wanneer de batterij leeg raakt, lithiumionen komen uit de anode, passeren door de vloeibare elektrolyt, en ga naar de kathode. Het proces wordt omgekeerd als de batterij wordt opgeladen.

"Omdat de helft van de lithium-ion-hosting elektrodematerialen altijd leeg is, " zei Bai, "je verspilt de helft van je ruimte."

Ingenieurs wisten dat ze een meer energierijke batterij konden bouwen (een kleinere batterij met vergelijkbare outputmogelijkheden) door een deel van het eigen gewicht weg te gooien dat wordt geleverd met de helft van de hostmaterialen die altijd leeg zijn. Ze zijn minimaal succesvol geweest door de grafietanode te verwijderen, vervolgens de lithiumionen verminderen met elektronen tijdens het opladen, een proces dat een dunne laag lithiummetaal vormt.

"Het probleem is dat de lithiummetaallaag niet uniform is, "Zei Bai. "Het kan 'vingers' laten groeien. "

Onderzoekers hebben naar deze vingers verwezen als 'dendrieten'. Terwijl ze zich verspreidden vanuit de lithiummetaallaag, ze kunnen de separator in de batterij binnendringen, leidt tot kortsluiting.

Maar niet alle "vingers" zijn hetzelfde. "Als je ze allemaal dendrieten noemt, je zoekt naar één oplossing om eigenlijk drie problemen op te lossen, wat onmogelijk is, "Zei Bai. "Daarom is dit probleem na zoveel jaren nooit opgelost."

Zijn team heeft drie verschillende soorten vingers geïdentificeerd, of groeiwijzen, in deze lithiummetaalanoden. Ze geven ook aan bij welke stroom elke groeimodus verschijnt.

"Als u een zeer hoge stroom gebruikt, het bouwt zich op aan de punt om een ​​boomachtige structuur te produceren, "Zei Bai. Dat zijn "echte dendrieten" (zie figuur A).

Onder de ondergrens heb je snorharen die vanuit de wortel groeien (zie figuur B).

En binnen die twee grenzen bestaat de dynamische overgang van snorharen naar dendrieten, die Bai "oppervlaktegroei" noemt (zie figuur C).

Deze gezwellen zijn allemaal gerelateerd aan de concurrerende reacties in het gebied tussen de vloeibare elektrolyt en de metaalafzettingen.

Uit de studie bleek dat een nanoporeuze keramische separator snorharen kan blokkeren tot een bepaalde stroomdichtheid, waarna oppervlaktegroei langzaam de afscheider kan binnendringen. Met een sterk genoeg stroom, "echte dendrieten" vorm, die gemakkelijk en zeer snel de separator kan binnendringen om de batterij kort te sluiten.

Op dit punt, Bai zei, "onze unieke transparante cel onthulde dat de spanning van de batterij er heel normaal uit zou kunnen zien, ook al is de separator gepenetreerd door een lithiummetaalfilament. Zonder te zien wat er van binnen gebeurt, je zou gemakkelijk voor de gek kunnen worden gehouden door de schijnbaar redelijke spanning, maar, Echt, uw batterij is al defect."

Om een ​​kluis te bouwen, efficiënt, betrouwbare batterij met een lithium-metaalanode, de drie groeiwijzen moeten door drie verschillende methoden worden gecontroleerd.

Dit zal een uitdaging zijn, aangezien consumenten batterijen willen die meer energie kunnen opslaan, en tegelijkertijd willen dat ze sneller worden opgeladen. De combinatie van deze twee levert onvermijdelijk een steeds hogere laadstroom op, die een van de kritische stromen kan overschrijden die door Bai's team zijn geïdentificeerd.

En, batterijen kunnen verslechteren. Wanneer ze dat doen, de voor de verse batterij geïdentificeerde kritische stromen zijn niet meer van toepassing; de drempel wordt lager. Op dat punt, gegeven dezelfde snelle laadstroom, er is een grotere kans dat de batterij kortsluiting maakt.

"De werking van de batterij is zeer dynamisch, in een zeer breed scala van stromingen. Maar zijn dispositie varieert dramatisch gedurende de levensduur van de cyclus", zei Bai. "Daarom wordt dit noodzakelijk."