Oplaadbare lithium-metaalbatterijen met verhoogde energiedichtheid, uitvoering, en veiligheid mogelijk met een nieuw ontwikkelde, vaste elektrolyt interfase (SEI), volgens onderzoekers van Penn State.

Naarmate de vraag naar lithium-metaalbatterijen met een hogere energiedichtheid toeneemt - voor elektrische voertuigen, smartphones, en drones - de stabiliteit van de SEI is een kritieke kwestie geweest die hun vooruitgang heeft tegengehouden omdat een zoutlaag op het oppervlak van de lithiumelektrode van de batterij deze isoleert en lithiumionen geleidt.

"Deze laag is erg belangrijk en wordt van nature gevormd door de reactie tussen het lithium en de elektrolyt in de batterij, " zei Donghai Wang, hoogleraar werktuigbouwkunde en scheikunde. "Maar het gedraagt ​​zich niet erg goed, wat voor veel problemen zorgt."

Een van de minst begrepen componenten van lithium-metaalbatterijen, de degradatie van de SEI draagt ​​bij aan de ontwikkeling van dendrieten, Dit zijn naaldachtige formaties die uit de lithiumelektrode van de batterij groeien en de prestaties en veiligheid negatief beïnvloeden. De onderzoekers publiceerden hun benadering van dit probleem vandaag (11 maart) in Natuurmaterialen .

"Dit is de reden waarom lithium-metaalbatterijen niet langer meegaan - de interfase groeit en is niet stabiel, " zei Wang. "In dit project, we gebruikten een polymeercomposiet om een ​​veel betere SEI te creëren."

Onder leiding van promovendus scheikunde Yue Gao, de verbeterde SEI is een reactief polymeercomposiet bestaande uit polymeer lithiumzout, lithiumfluoride nanodeeltjes, en grafeenoxidevellen. De nieuwe constructie van deze batterijcomponent heeft dunne lagen van deze materialen, dat is waar Thomas E. Mallouk, Evan Pugh, hoogleraar scheikunde, zijn expertise ter beschikking gesteld.

"Er is veel controle op moleculair niveau nodig om een ​​stabiele lithiuminterface te bereiken, " zei Mallouk. "Het polymeer dat Yue en Donghai ontwierpen, reageert om een ​​klauwachtige binding te maken met het lithiummetaaloppervlak. Het geeft het lithiumoppervlak op een passieve manier wat het wil, zodat het niet reageert met de moleculen in het elektrolyt. De nanosheets in het composiet fungeren als een mechanische barrière om te voorkomen dat dendrieten zich vormen uit het lithiummetaal."

Gebruikmakend van zowel chemie als technisch ontwerp, de samenwerking tussen velden stelde de technologie in staat om het lithiumoppervlak op atomaire schaal te beheersen.

"Als we batterijen ontwikkelen, we denken niet per se als chemici, helemaal tot op moleculair niveau, maar dat is wat we hier moesten doen, ' zei Mallouk.

Het reactieve polymeer verlaagt ook het gewicht en de productiekosten, verdere verbetering van de toekomst van lithium-metaalbatterijen.

"Met een stabielere SEI, het is mogelijk om de energiedichtheid van huidige batterijen te verdubbelen, terwijl ze langer meegaan en veiliger zijn, ' zei Wang.