Lithium-ionbatterijen zijn berucht voor het ontwikkelen van interne elektrische kortsluitingen die de vloeibare elektrolyten van een batterij kunnen ontsteken, leiden tot explosies en branden. Ingenieurs van de Universiteit van Illinois hebben een vast elektrolyt op basis van polymeer ontwikkeld dat zichzelf kan herstellen na schade - en het materiaal kan ook worden gerecycled zonder het gebruik van agressieve chemicaliën of hoge temperaturen.

De nieuwe studie, die fabrikanten zouden kunnen helpen recyclebare, zelfherstellende commerciële batterijen, wordt gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Aangezien lithium-ionbatterijen meerdere cycli van opladen en ontladen doorlopen, ze ontwikkelen kleine, vertakte structuren van vast lithium genaamd dendrieten, aldus de onderzoekers. Deze structuren verkorten de levensduur van de batterij, hotspots en kortsluitingen veroorzaken, en soms groot genoeg worden om de interne delen van de batterij te doorboren, waardoor explosieve chemische reacties tussen de elektroden en elektrolytvloeistoffen ontstaan.

Chemici en ingenieurs hebben er druk op uitgeoefend om de vloeibare elektrolyten in lithium-ionbatterijen te vervangen door vaste materialen zoals keramiek of polymeren, aldus de onderzoekers. Echter, veel van deze materialen zijn stijf en bros, wat resulteert in een slecht contact tussen elektrolyt en elektrode en verminderde geleidbaarheid.

"Vaste ionengeleidende polymeren zijn een optie voor het ontwikkelen van niet-vloeibare elektrolyten, " zei Brian Jing, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen en techniek en co-auteur van de studie. "Maar de hoge temperatuursomstandigheden in een batterij kunnen de meeste polymeren doen smelten, opnieuw resulterend in dendrieten en falen."

Eerdere studies hebben vaste elektrolyten geproduceerd door gebruik te maken van een netwerk van polymeerstrengen die verknoopt zijn om een ​​rubberachtige lithiumgeleider te vormen. Deze methode vertraagt ​​de groei van dendrieten; echter, deze materialen zijn complex en kunnen niet worden hersteld of genezen na beschadiging, zei Jing.

Om dit probleem aan te pakken, de onderzoekers ontwikkelden een netwerkpolymeerelektrolyt waarin het verknopingspunt uitwisselingsreacties kan ondergaan en polymeerstrengen kan verwisselen. In tegenstelling tot lineaire polymeren, deze netwerken worden zelfs stijver bij verwarming, die het dendrietprobleem mogelijk kunnen minimaliseren, aldus de onderzoekers. Aanvullend, ze kunnen na beschadiging gemakkelijk worden afgebroken en opnieuw gestold tot een netwerkstructuur, recyclebaar maken, en ze herstellen de geleidbaarheid nadat ze beschadigd zijn omdat ze zelfgenezend zijn.

"Dit nieuwe netwerkpolymeer vertoont ook de opmerkelijke eigenschap dat zowel de geleidbaarheid als de stijfheid toenemen bij verwarming, die niet wordt gezien in conventionele polymeerelektrolyten, ' zei Jing.

"De meeste polymeren hebben sterke zuren en hoge temperaturen nodig om af te breken, " zei professor materiaalwetenschap en techniek en hoofdauteur Christopher Evans. "Ons materiaal lost op in water bij kamertemperatuur, waardoor het een zeer energiezuinig en milieuvriendelijk proces is."

Het team onderzocht de geleidbaarheid van het nieuwe materiaal en vond het potentieel als een effectieve batterij-elektrolyt veelbelovend, zeiden de onderzoekers, maar erken dat er meer werk nodig is voordat het kan worden gebruikt in batterijen die vergelijkbaar zijn met wat nu in gebruik is.

"Ik denk dat dit werk een interessant platform biedt voor anderen om te testen, Evans zei. "We gebruikten een zeer specifieke chemie en een zeer specifieke dynamische binding in ons polymeer, maar we denken dat dit platform opnieuw kan worden geconfigureerd om te worden gebruikt met veel andere chemicaliën om de geleidbaarheid en mechanische eigenschappen aan te passen."