Onderzoekers van het Mellon College of Science en College of Engineering van Carnegie Mellon University hebben een halfvloeibare anode op basis van lithiummetaal ontwikkeld die een nieuw paradigma in batterijontwerp vertegenwoordigt. Lithiumbatterijen die met dit nieuwe elektrodetype zijn gemaakt, kunnen een hogere capaciteit hebben en veel veiliger zijn dan typische op lithium-metaal gebaseerde batterijen die lithiumfolie als anode gebruiken.

Het interdisciplinaire onderzoeksteam publiceerde hun bevindingen in het huidige nummer van: Joule .

Op lithium gebaseerde batterijen zijn een van de meest voorkomende typen oplaadbare batterijen die in moderne elektronica worden gebruikt vanwege hun vermogen om grote hoeveelheden energie op te slaan. traditioneel, deze batterijen zijn gemaakt van brandbare vloeibare elektrolyten en twee elektroden, een anode en een kathode, die worden gescheiden door een membraan. Nadat een batterij herhaaldelijk is opgeladen en ontladen, strengen lithium, dendrieten genaamd, kunnen op het oppervlak van de elektrode groeien. De dendrieten kunnen door het membraan heen dringen dat de twee elektroden scheidt. Dit maakt contact tussen de anode en kathode mogelijk, waardoor de batterij kan kortsluiten en, in het slechtste geval, vlam vatten.

"Het opnemen van een metalen lithiumanode in lithium-ionbatterijen heeft het theoretische potentieel om een ​​batterij te creëren met veel meer capaciteit dan een batterij met een grafietanode, " zei Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University Professor of Natural Sciences in Carnegie Mellon's Department of Chemistry. "Maar, het belangrijkste dat we moeten doen, is ervoor zorgen dat de batterij die we maken veilig is."

Een voorgestelde oplossing voor de vluchtige vloeibare elektrolyten die in huidige batterijen worden gebruikt, is om ze te vervangen door vaste keramische elektrolyten. Deze elektrolyten zijn sterk geleidend, onbrandbaar en sterk genoeg om dendrieten te weerstaan. Echter, onderzoekers hebben ontdekt dat het contact tussen de keramische elektrolyt en een vaste lithiumanode onvoldoende is om de hoeveelheid stroom op te slaan en te leveren die nodig is voor de meeste elektronica.

Sipei Li, een doctoraalstudent aan de afdeling Scheikunde van Carnegie Mellon, en Han Wang, een doctoraatsstudent aan de afdeling Materials Science and Engineering van Carnegie Mellon, waren in staat om deze tekortkoming te overwinnen door een nieuwe materiaalklasse te creëren die kan worden gebruikt als een halfvloeibare metaalanode.

Werken met de Mellon College of Science's Matyjaszewski, een leider in polymeerchemie en materiaalwetenschap, en Jay Whitacre, Trustee Professor in Energy in het College of Engineering en directeur van het Wilton E. Scott Institute for Energy Innovation in Carnegie Mellon, die bekend staat om zijn werk in het ontwikkelen van nieuwe technologieën voor energieopslag en -opwekking, Li en Wang creëerden een dual-geleidende polymeer / koolstofcomposietmatrix waarin lithiummicrodeeltjes gelijkmatig zijn verdeeld. De matrix blijft vloeibaar bij kamertemperatuur, waardoor het voldoende contact kan maken met de vaste elektrolyt. Door de halfvloeibare metaalanode te combineren met een op granaat gebaseerde vaste keramische elektrolyt, ze waren in staat om de cel te fietsen met een 10 keer hogere stroomdichtheid dan cellen met een vaste elektrolyt en een traditionele lithiumfolieanode. Deze cel had ook een veel langere levensduur dan traditionele cellen.

"Deze nieuwe verwerkingsroute leidt tot een op lithiummetaal gebaseerde batterijanode die vloeibaar is en zeer aantrekkelijke veiligheid en prestaties heeft in vergelijking met gewoon lithiummetaal. Het implementeren van nieuw materiaal zoals dit zou kunnen leiden tot een stapsgewijze verandering in oplaadbare lithiumbatterijen, en we werken er hard aan om te zien hoe dit werkt in een reeks batterij-architecturen, ' zei Whitacre.

De onderzoekers geloven dat hun methode verstrekkende gevolgen kan hebben. Bijvoorbeeld, het zou kunnen worden gebruikt om batterijen met een hoge capaciteit te maken voor elektrische voertuigen en gespecialiseerde batterijen voor gebruik in draagbare apparaten waarvoor flexibele batterijen nodig zijn. Ze zijn ook van mening dat hun methoden verder kunnen worden uitgebreid dan lithium naar andere oplaadbare batterijsystemen, inclusief natriummetaalbatterijen en kaliummetaalbatterijen en kunnen mogelijk worden gebruikt voor energieopslag op netschaal.