De hoop is hersteld voor de oplaadbare lithium-metaalbatterij - een potentiële batterij-krachtpatser die decennialang naar het laboratorium is gedegradeerd vanwege zijn korte levensduur en af ​​en toe een vurige ondergang, terwijl zijn oplaadbare broer, de lithium-ionbatterij, haalt nu meer dan $30 miljard per jaar op.

Een nieuwe coating kan lichtgewicht lithium-metaalbatterijen veilig en langdurig maken, een zegen voor de ontwikkeling van elektrische voertuigen van de volgende generatie. (Afbeelding tegoed:Shutterstock)

Een team van onderzoekers van Stanford University en SLAC National Accelerator Laboratory heeft een coating uitgevonden die enkele van de defecten van de batterij verhelpt, beschreven in een paper gepubliceerd op 26 augustus in Joule .

Bij laboratoriumtesten, de coating verlengde de levensduur van de batterij aanzienlijk. Het loste ook het verbrandingsprobleem op door de kleine naaldachtige structuren - of dendrieten - die de scheidingsteken tussen de positieve en negatieve kanten van de batterij doorboren, aanzienlijk te beperken. Naast het verpesten van de batterij, dendrieten kunnen kortsluiting veroorzaken in de ontvlambare vloeistof van de batterij. Lithium-ionbatterijen hebben af ​​en toe hetzelfde probleem, maar dendrieten zijn tot nu toe een niet-starter voor oplaadbare lithium-metaalbatterijen.

"We pakken de heilige graal van lithium-metaalbatterijen aan, " zei Zhenan Bao, een professor in de chemische technologie, die samen met Yi Cui senior auteur van het artikel is, hoogleraar materiaalkunde en techniek en fotonenwetenschap bij SLAC. Bao voegde eraan toe dat dendrieten hadden voorkomen dat lithium-metaalbatterijen werden gebruikt in wat de volgende generatie elektrische voertuigen zou kunnen zijn.

De belofte

Lithium-metaalbatterijen kunnen minstens een derde meer vermogen per pond bevatten dan lithium-ionbatterijen en zijn aanzienlijk lichter omdat ze lichtgewicht lithium gebruiken voor het positief geladen uiteinde in plaats van zwaarder grafiet. Als ze betrouwbaarder waren, deze batterijen zouden kunnen profiteren van draagbare elektronica, van notebooks tot mobiele telefoons, maar het echte loon, Cui zei, zou zijn voor auto's. De grootste belemmering voor elektrische voertuigen is dat hun batterijen ongeveer een vierde van hun energie verbruiken om zichzelf rond te dragen. Dat raakt de kern van het EV-bereik en de kosten.

"De capaciteit van conventionele lithium-ionbatterijen is bijna zover ontwikkeld als mogelijk is, " zei Stanford PhD-student David Mackanic, co-hoofdauteur van de studie. "Dus, het is van cruciaal belang om nieuwe soorten batterijen te ontwikkelen om te voldoen aan de agressieve energiedichtheidseisen van moderne elektronische apparaten."

Het team van Stanford en SLAC testte hun coating op het positief geladen uiteinde - de anode genaamd - van een standaard lithium-metaalbatterij, dat is waar dendrieten zich meestal vormen. uiteindelijk, ze combineerden hun speciaal gecoate anodes met andere in de handel verkrijgbare componenten om een ​​volledig operationele batterij te creëren. Na 160 cycli, hun lithium-metaalcellen leverden nog steeds 85 procent van het vermogen dat ze in hun eerste cyclus deden. Normale lithium-metaalcellen leveren ongeveer 30 procent na zoveel cycli, waardoor ze bijna onbruikbaar worden, zelfs als ze niet ontploffen.

De nieuwe coating voorkomt de vorming van dendrieten door een netwerk van moleculen te creëren die geladen lithiumionen gelijkmatig aan de elektrode leveren. Het voorkomt ongewenste chemische reacties die typisch zijn voor deze batterijen en vermindert ook een chemische ophoping op de anode, wat het vermogen van de batterij om stroom te leveren snel verwoest.

"Ons nieuwe coatingontwerp maakt lithium-metaalbatterijen stabiel en veelbelovend voor verdere ontwikkeling, " zei de andere co-hoofdauteur, Stanford Ph.D. student Zhiao Yu.

De groep verfijnt nu hun coatingontwerp om het capaciteitsbehoud te vergroten en cellen over meer cycli te testen.

"Hoewel gebruik in elektrische voertuigen het uiteindelijke doel kan zijn, " zei Cui, "commercialisering zou waarschijnlijk beginnen met consumentenelektronica om eerst de veiligheid van de batterij aan te tonen."