Onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een apparaat ontwikkeld dat ultrageluid uitzendt dat lithium-metaalbatterijen brengt, of LMB's, een stap dichter bij commerciële levensvatbaarheid. Hoewel het onderzoeksteam zich richtte op LMB's, het apparaat kan in elke batterij worden gebruikt, ongeacht de chemie.

Het apparaat dat de onderzoekers hebben ontwikkeld, is een integraal onderdeel van de batterij en werkt door ultrasone golven uit te zenden om een ​​circulatiestroom te creëren in de elektrolytvloeistof die zich tussen de anode en de kathode bevindt. Dit voorkomt de vorming van lithiummetaalgroei, dendrieten genoemd, tijdens het opladen die leiden tot verminderde prestaties en kortsluiting in LMB's.

Het apparaat is gemaakt van standaard smartphonecomponenten, die geluidsgolven genereren met extreem hoge frequenties - variërend van 100 miljoen tot 10 miljard hertz. Bij telefoons, deze apparaten worden voornamelijk gebruikt om het draadloze mobiele signaal te filteren en spraakoproepen en gegevens te identificeren en te filteren. Onderzoekers gebruikten ze in plaats daarvan om een ​​stroom in de elektrolyt van de batterij te genereren.

"Vooruitgang in smartphonetechnologie heeft ons echt in staat gesteld om ultrageluid te gebruiken om de batterijtechnologie te verbeteren, " zei James Vriend, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Jacobs School of Engineering aan de UC San Diego en de corresponderende auteur van de studie.

Momenteel, LMB's werden niet als een haalbare optie beschouwd om alles van elektrische voertuigen tot elektronica van stroom te voorzien, omdat hun levensduur te kort is. Maar deze batterijen hebben ook twee keer de capaciteit van de beste lithium-ionbatterijen van vandaag. Bijvoorbeeld, door lithiummetaal aangedreven elektrische voertuigen zouden twee keer het bereik hebben van voertuigen op lithiumionen, voor hetzelfde batterijgewicht.

Onderzoekers toonden aan dat een lithium-metaalbatterij die is uitgerust met het apparaat 250 cycli kan worden opgeladen en ontladen en een lithium-ionbatterij meer dan 2000 cycli. De batterijen werden voor elke cyclus in 10 minuten van nul tot 100 procent opgeladen.

"Dit werk zorgt voor snel opladen en energierijke batterijen in één, " zei Ping Liu, hoogleraar nano-engineering aan de Jacobs School en de andere senior auteur van het artikel. "Het is spannend en effectief."

Het team beschrijft hun werk in het XX nummer van het tijdschrift Geavanceerde materialen .

De meeste inspanningen op het gebied van batterijonderzoek zijn gericht op het vinden van de perfecte chemie om batterijen te ontwikkelen die langer meegaan en sneller opladen, zei Liu. Daarentegen, het UC San Diego-team probeerde een fundamenteel probleem op te lossen:het feit dat in traditionele metalen batterijen, de elektrolytvloeistof tussen de kathode en de anode is statisch. Als resultaat, wanneer de batterij wordt opgeladen, het lithiumion in de elektrolyt is uitgeput, waardoor het waarschijnlijker is dat lithium ongelijk op de anode zal neerslaan. Dit veroorzaakt op zijn beurt de ontwikkeling van naaldachtige structuren, dendrieten genaamd, die ongecontroleerd kunnen groeien van de anode naar de kathode, waardoor de batterij kortsluit en zelfs vlam vat. Snel opladen versnelt dit fenomeen.

Door ultrasone golven door de batterij te verspreiden, het apparaat zorgt ervoor dat de elektrolyt gaat stromen, het lithium in de elektrolyt aanvullen en het waarschijnlijker maken dat het lithium uniform zal vormen, dichte afzettingen op de anode tijdens het opladen.

Het moeilijkste deel van het proces was het ontwerpen van het apparaat, zei An Huang, de eerste auteur van het papier en een Ph.D. student materiaalkunde aan UC San Diego. De uitdaging was om op extreem kleine schaal te werken, de betrokken fysieke verschijnselen begrijpen en een effectieve manier vinden om het apparaat in de batterij te integreren.

"Onze volgende stap zal zijn om deze technologie te integreren in commerciële lithium-ionbatterijen, " zei Haodong Liu, de co-auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker op het gebied van nanoengineering aan de Jacobs School.