Lithium-metaalbatterijen behoren tot de meest veelbelovende kandidaten voor technologie voor energieopslag met hoge dichtheid in een groeiend aantal digitale "slimme" apparaten en elektrische voertuigen, maar ongecontroleerde groei van lithiumdendrieten, wat resulteert in een slecht oplaadvermogen en veiligheidsrisico's, tempert momenteel hun potentieel.

Dendrieten zijn naaldachtige gezwellen die verschijnen op het oppervlak van lithiummetaal, die als anode wordt gebruikt, of negatieve elektrode, van een batterij. Ze veroorzaken ongewenste nevenreacties die de energiedichtheid verminderen, en in het slechtste geval kortsluiting van de elektroden veroorzaken, wat kan leiden tot brand of explosies.

Nieuw onderzoek van de Arizona State University waarbij een driedimensionale laag polydimethylsiloxaan (PDMS) wordt gebruikt, of siliconen, aangezien is gebleken dat het substraat van de lithiummetaalanode de vorming van dendrieten vermindert en de levensduur van de batterij aanzienlijk verlengt en de veiligheidsrisico's vermindert.

Volgens Hanqing Jiang, een professor aan de School for Engineering of Matter van de Arizona State University, Transport and Energy en een hoofdonderzoeker op een paper gepubliceerd in Natuur Energie , de bevindingen zijn relevant voor zowel lithium-ion- als lithium-luchtbatterijen, evenals implicaties voor andere op metaalanode gebaseerde batterijen.

"Bijna alle metalen die als batterijanoden worden gebruikt, hebben de neiging om dendrieten te ontwikkelen, " legde Jiang uit. "Bijvoorbeeld, deze bevindingen hebben gevolgen voor zink, natrium- en aluminiumbatterijen ook."

Jiang zei dat hij en het onderzoeksteam, in plaats van het probleem te benaderen vanuit een materiaal- of elektrochemisch perspectief, als werktuigbouwkundigen naar oplossingen gezocht. "We weten al dat kleine tinnen naalden of snorharen onder stress uit tinnen oppervlakken kunnen steken, dus naar analogie keken we naar de mogelijkheid van stress als een factor in de groei van lithiumdendrieten."

De eerste onderzoeksronde omvatte het toevoegen van een laag PDMS aan de onderkant van de batterijanode. "Er waren opmerkelijke reducties in de dendrietgroei, " zei Jiang. De onderzoekers ontdekten dat dit direct verband houdt met het feit dat de spanning die zich ophoopt in het lithiummetaal wordt verlicht door de vervorming van het PDMS-substraat in de vorm van "rimpels".

"Dit is de eerste keer dat overtuigend bewijs aantoont dat reststress een sleutelrol speelt bij het ontstaan ​​van lithiumdendrieten, " zei Jiang.

Naast het verkrijgen van een fundamenteel begrip van het groeimechanisme van lithiumdendrieten, Jiang's groep bedacht ook een slimme manier om het fenomeen te gebruiken om de levensduur van lithium-metaalbatterijen te verlengen met behoud van hun hoge energiedichtheid. De oplossing is om PDMS-substraat een driedimensionale vorm te geven met veel oppervlak. "Stel je suikerklontjes voor die veel kleine interne poriën bevatten, " legde Jiang uit. "Binnen deze kubussen, het PDMS vormt een continu netwerk als substraat, bedekt met een dunne koperlaag om elektronen te geleiden. Eindelijk, lithium vult de poriën. De PDMS, die dient als een poreuze, sponsachtige laag, verlicht de stress en remt effectief de dendrietgroei."

"Door synergetisch te combineren met andere methoden voor het onderdrukken van lithiumdendrieten, zoals nieuwe elektrolytadditieven, de bevinding heeft brede implicaties voor het maken van lithium-metaalbatterijen tot een veilige, hoge dichtheid, oplossing voor energieopslag op lange termijn, " zei professor Ming Tang, een onderzoeksteamlid aan de Rice University. "Potentiële toepassingen variëren van persoonlijke elektronische apparaten tot het voor uitzonderlijk langere tijd aandrijven van elektrische auto's tot het zijn van de back-up elektrische voeding voor zonne-energienetwerken."