Wetenschappers van Rice University hebben de volgende stap gezet in de richting van de inzet van krachtige, oplaadbare lithium-metaalbatterijen door ze veiliger en eenvoudiger te vervaardigen te maken.

Het Rice-lab van scheikundige James Tour maakte testcellen met een laagje rode fosfor op de separator die de anode- en kathode-elektroden uit elkaar houdt. De fosfor fungeert als spion voor beheersystemen die worden gebruikt om batterijen op te laden en te controleren door de vorming van dendrieten te detecteren, uitsteeksels van lithium waardoor ze kunnen falen.

Lithium-metaalanoden laden veel sneller op en bevatten ongeveer 10 keer meer energie in volume dan gewone lithium-ionanodes die in zowat elk elektronisch apparaat op de markt worden gebruikt, inclusief mobiele telefoons en elektrische auto's. Anodes zijn een van de twee elektroden die nodig zijn voor batterijvoeding.

Maar het opladen van met lithium doordrenkte anoden vormt dendrieten die, als ze de kathode bereiken, kortsluiting en mogelijk brand of explosie veroorzaken. Wanneer een dendriet een met rode fosfor beklede separator bereikt, de laadspanning van de batterij verandert. Dat vertelt het batterijbeheersysteem om te stoppen met opladen.

In tegenstelling tot andere voorgestelde dendrietdetectoren, de Rice-strategie vereist geen derde elektrode.

"Het maken van batterijen met een derde elektrode is erg moeilijk, " zei Tour. "We stellen een statische laag voor die een piek in de spanning geeft terwijl de batterij wordt opgeladen. Die piek is een signaal om het stil te leggen."

Het onderzoek verschijnt in Geavanceerde materialen .

De rode fosforlaag had geen significant effect op de normale prestaties in experimenten met testbatterijen door het Tour-lab.

De onderzoekers bouwden een transparante testcel met een elektrolyt (het vloeibare of gelachtige materiaal tussen de elektroden en rond de separator waarmee de batterij een stroom kan genereren) waarvan bekend is dat het de veroudering van de kathode versnelt en de dendrietgroei bevordert. Daardoor konden ze de spanning bewaken terwijl ze dendrieten zagen groeien.

Met een gewone scheider, ze zagen dat de dendrieten contact maakten en de separator binnendringen zonder verandering in spanning, een situatie die ertoe zou leiden dat een normale batterij faalt. Maar met de rode fosforlaag, ze zagen een scherpe spanningsdaling toen de dendrieten in contact kwamen met de separator.

"Zodra een groeiende dendriet de rode fosfor raakt, het geeft een signaal in de laadspanning, " zei Tour. "Als het batterijbeheersysteem dat detecteert, het kan zeggen, 'Stop met opladen, niet gebruiken.'"

Vorig jaar, het laboratorium introduceerde koolstofnanobuisfilms die de dendrietgroei van lithiummetaalanoden volledig lijken te stoppen.

"Door de twee recente ontwikkelingen te combineren, de groei van lithiumdendrieten kan worden verzacht, en er is een interne verzekering dat de batterij wordt uitgeschakeld in het onwaarschijnlijke geval dat zelfs maar een enkele dendriet naar de kathode zal groeien, ' zei Tour.

"Letterlijk, wanneer u een nieuwe batterij maakt, je maakt er meer dan een miljard van, "zei hij. "Zouden er een paar kunnen mislukken? Er zijn maar een paar branden nodig voordat mensen echt antsy worden. Ons werk biedt een extra garantie voor de veiligheid van de batterij. We stellen een andere beschermingslaag voor die eenvoudig te implementeren moet zijn."