Lithiummetaal is een van de meest veelbelovende kandidaten voor batterijanoden van de volgende generatie vanwege zijn uitzonderlijk hoge specifieke capaciteit. Echter, het wijdverbreide gebruik ervan wordt belemmerd door een uitdagend obstakel:bij meerdere laad-ontlaadcycli, fractale filamenten, dendrieten genaamd, kunnen door de elektrolyt van de negatieve naar de positieve elektrode groeien en de batterij van binnenuit kortsluiten, dus een groot veiligheidsrisico vormen.

In een paper gepubliceerd in Natuurmaterialen , Venkat Viswanathan, een universitair hoofddocent aan de afdeling Werktuigbouwkunde van Carnegie Mellon, en zijn co-auteurs hebben dit probleem aangepakt door te onderzoeken hoe een solid-ion-geleider (SIC) - een onderdeel dat kan worden gebruikt als een afscheider tussen de anode en de elektrolyt - dendrieten kan voorkomen.

Ze bedachten eerst een theoretisch model om de ontwerpregels vast te stellen waaraan SIC's moeten voldoen om elektrodepositiecyclusstabiliteit te bereiken. Van dit model, ze leerden dat deze stabiliteit afhankelijk is van meestal twee eigenschappen van de SIC:de afschuifmodulus, een maat voor stijfheid, en het volume dat wordt ingenomen door een lithiumion terwijl het door de SIC beweegt.

Materialen met een lage afschuifmodulus en een klein lithiumvolume onderdrukken dendrieten, terwijl materialen met een hoge modulus en een groot lithiumvolume ze blokkeren. Dit geeft aanleiding tot twee regio's van stabiliteit:een dendrietonderdrukkende, en één dendrietblokkering. Hoewel het dendrietblokkeringsregime al bekend was en werd bestudeerd op het gebied van elektrochemie, het dendrietonderdrukkende domein was nog niet verkend.

Gezien de enorme oceaan van mogelijkheden voor wetenschappelijke vooruitgang in deze voorheen niet-erkende stabiliteitsregio, door samenwerking met de groep van Brett Helms in het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), het team ontwikkelde een op polymeer gebaseerde composiet SIC die speciaal is ontworpen om dit dendriet-onderdrukkende regime te onderzoeken en hun hypothese te valideren.

Met behulp van een reeks van zowel computationele als experimentele technieken, ze toonden aan dat dit nieuwe materiaal, door toegang te krijgen tot een voorheen onbekend stabiliteitsdomein, kan inderdaad de dendriethindernis omzeilen die het gebruik van lithiummetaal als anode met hoge capaciteit achtervolgt.

Hun werk kan dienen als een opstap voor verdere vooruitgang in de richting van batterijen van de volgende generatie, nodig om opwindende nieuwe technologieën zoals vliegende auto's aan te drijven.

De krant, getiteld "Universele chemomechanische ontwerpregels voor vaste-ionengeleiders om dendrietvorming in lithium-metaalbatterijen te voorkomen, " werd gepubliceerd in Natuurmaterialen in april 2020.