Dendrieten zijn de destructieve bijproducten van de cyclus van het opladen en ontladen van lithium-ionbatterijen. Deze kleine afzettingen vormen zich tussen de anode en de kathode van de batterij, opbouwen in de tijd. onvermijdelijk, ze verminderen de levensduur van de batterij. Nog problematischer is het risico dat de batterij in brand vliegt. In de zoektocht naar veiligere en duurzamere batterijen, vooral voor elektrische auto's, vrachtwagens, en vliegtuigen - onderzoekers blijven methoden onderzoeken om de vorming van dendrieten te onderdrukken.

Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben ontdekt dat vloeibare kristallen kunnen worden gebruikt als elektrolyten met lithiummetaalanoden in batterijen om dendrietgroei te onderdrukken. Vloeibare kristallen vertegenwoordigen een nieuwe klasse materialen die eigenschappen hebben die verschillen van conventionele vloeistoffen en vaste stoffen. De dendrietonderdrukking vindt plaats vanwege de neiging van vloeibaar-kristalmoleculen om in een geordende opstelling op één lijn te komen.

In bevindingen gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , het onderzoeksteam stelde verschillende ontwerpcriteria voor voor het selecteren van vloeibare kristallen als batterij-elektrolyten die goed functionerende lithium-metaalbatterijen mogelijk maken.

"Deze uitgebreide set ontwerpregels op moleculair niveau zal de weg vrijmaken voor de realisatie van deze nieuwe klasse elektrolyten voor praktische lithium-metaalbatterijen, " zei Venkat Viswanathan, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Carnegie Mellon.

"Batterijen met een verhoogde energiedichtheid zijn van cruciaal belang om massale elektrificatie van transport mogelijk te maken. Lithium-metaalanoden bieden een veelbelovende benadering om de energiedichtheid van batterijen te verbeteren, maar dendrietvorming plaagt de veiligheid en levensduur van lithiummetaalanoden, " zei Zeeshan Ahmad, de hoofdauteur van het papier.

De bevindingen bouwen voort op het eerdere werk van het onderzoeksteam over dendrietonderdrukking met behulp van vaste elektrolyten. Hoewel vaste elektrolyten superieure dendrietonderdrukking bieden, ze hebben een langzamere lithium-ion-geleidbaarheid en kunnen niet gemakkelijk worden geïntegreerd in de huidige lithium-ionbatterijen. Vloeistoffen, anderzijds, hebben een snellere geleidbaarheid maar kunnen dendrieten niet onderdrukken.

De vloeibaar-kristalmaterialen liggen ergens tussenin omdat ze een bepaalde oriënterende orde hebben, maar geen positionele orde zoals vaste stoffen. Ze zijn eenvoudig te integreren in de huidige lithium-ionbatterijen, zijn veiliger, en bieden spontane dendrietonderdrukking.

Vloeibare kristallen hebben wel een nadeel:hun stabiliteit is momenteel niet zo goed als die van de huidige vloeibare elektrolyten. De volgende stap in deze onderzoekslijn is om vloeibaar kristallijne materialen verder te onderzoeken, zodat ze kunnen voldoen aan alle ontwerpcriteria voor toekomstige batterijen.