Een onderzoeksteam van de Florida State University en Cornell University ontdekte dat batterijen die zijn gemaakt van goedkope en veilige componenten drie tot vier keer zo krachtig kunnen zijn als batterijen die zijn gebouwd met de moderne lithium-iontechnologie.

Het werk van de onderzoekers is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

A. Nijamudheen, een postdoctoraal onderzoeker aan het FAMU-FSU College of Engineering, en Snehashi's Choudhury, een doctoraatsstudent aan de Cornell University, samen met faculteitsleden van beide instellingen begonnen aan een ambitieus onderzoek naar wat het huidige batterijontwerp belemmert en hoe dit kan worden verbeterd.

"Als je kijkt naar de kosten van batterijen in de loop van de tijd, het is niet verrassend om te zien dat de vector consequent naar boven wijst, " zei Choudhury. "Brede toepassing van technologieën waarvoor batterijen nodig zijn, vereisen lagere kosten."

In de hoop die kosten te drukken, onderzoekers hebben een aantal specifieke problemen met elektrolyten aangepakt, een cruciaal onderdeel van de constructie van een batterij dat de beweging van ionen van de ene elektrode naar de andere bevordert.

De teams gingen op zoek naar de chemische paden waardoor elektrolyten bij de batterij-elektroden werden afgebroken. De onderzoekers identificeerden niet alleen de mechanismen voor hoe de elektrolyten degraderen, ze ontdekten ook meerdere strategieën om het probleem te verhelpen.

"We ontdekten dat het beheersen van de ionische eigenschappen van de interfasen gevormd aan de negatieve elektrode de sleutel is, ' zei Nijamudheen.

Met behulp van kwantumberekeningen, Nijamudheen en zijn adviseur, FAMU-FSU Universitair docent chemische technologie Jose Mendoza-Cortes, ontdekte dat het probleem voortkomt uit de manier waarop een component van de elektrolyten, diglyme genaamd, polymerisatie ondergaat. Polymerisatie is een proces waarbij moleculen chemisch worden gecombineerd om een ​​langketenig molecuul te produceren dat een polymeer wordt genoemd.

In het geval van batterijen, elektrolyten breken vaak uit elkaar en vormen zich opnieuw om veel grotere moleculen te creëren na langdurig contact met zowel de negatieve als positieve elektroden van een batterij.

"Hoewel het afbraakproces zelf onschadelijk is, zijn bijproducten voorkomen dat ionen toegang krijgen tot de batterij-elektroden, die na verloop van tijd de hoeveelheid opgeslagen energie vermindert dan kan worden teruggewonnen uit een batterij, " zei Lynden Archer, een professor aan de Cornell University en adviseur van Choudhury.

Echter, terwijl sommige soorten polymeren die het resultaat zijn van dit proces ervoor zorgen dat ionen de elektroden niet bereiken, andere zijn bewezen effectief in het verlengen van de levensduur van de batterij.

Met hun polymerisatieberekeningen in de hand, de onderzoekers begonnen andere soorten elektrolyten te onderzoeken waarbij het polymerisatieproces de prestaties van de batterij niet zou belemmeren.

Typisch, lithiumbatterijen zijn gemaakt met organische carbonaatelektrolyten, maar deze elektrolyten zijn licht ontvlambaar. Dure thermische regelinfrastructuur die zorgt voor koeling van oververhitte batterijcellen is daarom verplicht om de risico's op thermische runaway en batterijbranden te verminderen.

De onderzoekers testten in plaats daarvan een lithiumnitraatelektrolyt, een stabiele elektrolyt die niet brandbaar was.

Met behulp van dat elektrolyt, de onderzoekers begonnen experimenten uit te voeren op de vaste elektrolyt-interfase of SEI. De SEI is een beschermende laag gevormd op de negatieve elektrode als gevolg van elektrolytontleding, meestal tijdens de eerste cyclus van een batterij.

"Als je eenmaal een goede SEI hebt, je hebt een goede batterij, " zei Mendoza-Cortes, die ook een assistent-professor is aan het FAMU-FSU College of Engineering. "Het idee is om een ​​elektrolyt en oplosmiddel te vinden die een SEI kunnen vormen die stabiel kan zijn en in je voordeel kan spelen."

De onderzoekers ontwikkelden een nieuw type SEI dat zich spontaan vormt in een batterijcel met behulp van opofferingszout of moleculaire soorten die via de elektrolyten worden geïntroduceerd. Ze introduceerden ook ketenoverdrachtsmiddelen - een reeks moleculen - die in wisselwerking stonden met de diglyme om een ​​schild te vormen dat de negatief geladen elektrode beschermt tegen degradatie.

Om de effectiviteit van het ontwerp te evalueren, het onderzoeksteam voerde een reeks experimenten uit op het vermogen van de batterij om te worden gebruikt en vervolgens weer opgeladen. Ze ontdekten dat het er ongeveer 2 door kon gaan, 000 cycli, ruim boven de conventionele 300 tot 500 oplaadcycli die met de meeste lithium-ionbatterijen worden geassocieerd.

"Met dit proces we zouden een efficiëntie kunnen krijgen die ongekend is voor dit soort systeem, "Zei Mendoza-Cortes. "Het komt erop neer dat we de SEI hebben verbeterd. Dat zou betekenen dat er meer vermogen is dat langer meegaat. Daar zit veel potentieel in."