Als het gaat om de speciale saus van batterijen, onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy hebben ontdekt dat het allemaal om de zoutconcentratie gaat. Door de juiste hoeveelheid zout binnen te krijgen, precies waar ze het willen, ze hebben aangetoond dat een kleine lithium-metaalbatterij ongeveer zeven keer meer kan opladen dan batterijen met conventionele elektrolyten.

De elektrolytoplossing van een batterij pendelt geladen atomen tussen elektroden om elektriciteit op te wekken. Het vinden van een elektrolytoplossing die de elektroden in een lithium-metaalbatterij niet corrodeert, is een uitdaging, maar de PNNL-aanpak, online gepubliceerd in Geavanceerde materialen , creëert met succes een beschermende laag rond de elektroden en realiseert aanzienlijk verhoogde laad-/ontlaadcycli.

Conventionele elektrolyten die worden gebruikt in lithium-ionbatterijen, die huishoudelijke elektronica zoals computers en mobiele telefoons aandrijven, zijn niet geschikt voor lithium-metaalbatterijen. Lithium-metaalbatterijen die een grafietelektrode vervangen door een lithiumelektrode zijn de 'heilige graal' van energieopslagsystemen omdat lithium een ​​grotere opslagcapaciteit heeft en, daarom, een lithium-metaalbatterij heeft een dubbele of driedubbele opslagcapaciteit. Door dat extra vermogen kunnen elektrische voertuigen meer dan twee keer langer rijden tussen oplaadbeurten.

Door meer zout op lithiumbasis toe te voegen aan het vloeibare elektrolytmengsel ontstaat een stabieler raakvlak tussen het elektrolyt en de elektroden die, beurtelings, beïnvloedt de levensduur van de batterij. Maar die hoge zoutconcentratie heeft duidelijke nadelen, waaronder de hoge kosten van lithiumzout. De hoge concentratie verhoogt ook de viscositeit en verlaagt de geleidbaarheid van de ionen door de elektrolyt.

"We probeerden het voordeel van de hoge zoutconcentratie te behouden, maar compenseer de nadelen, " zei Ji-Guang "Jason" Zhang, senior batterijonderzoeker bij PNNL. "Door een op fluor gebaseerd oplosmiddel te combineren om de elektrolyt met hoge concentratie te verdunnen, ons team was in staat om de totale lithiumzoutconcentratie aanzienlijk te verlagen en toch de voordelen ervan te behouden."

In dit proces, ze waren in staat om de hoge concentraties op lithium gebaseerd zout te lokaliseren in "clusters" die nog steeds beschermende barrières op de elektrode kunnen vormen en de groei van dendrieten voorkomen - microscopisch, pin-achtige vezels - die ervoor zorgen dat oplaadbare batterijen kortsluiten en hun levensduur beperken.

Het elektrolyt van PNNL, waarvoor patent is aangevraagd, is getest in de Advanced Battery Facility van PNNL op een experimentele batterijcel die qua grootte vergelijkbaar is met een horlogebatterij. Het was in staat om 80 procent van zijn oorspronkelijke lading te behouden na 700 cycli van ontladen en opladen. Een batterij die een standaard elektrolyt gebruikt, kan zijn lading slechts ongeveer 100 cycli behouden.

Onderzoekers zullen deze gelokaliseerde hoge concentratie elektrolyt testen op 'pouch'-batterijen die in het laboratorium zijn ontwikkeld, die de grootte en het vermogen hebben van een batterij van een mobiele telefoon, om te zien hoe het presteert op die schaal. Ze zeggen dat het concept om dit nieuwe op fluor gebaseerde verdunningsmiddel te gebruiken om de zoutconcentratie te manipuleren ook goed werkt voor natrium-metaalbatterijen en andere metaalbatterijen.

Dit onderzoek maakt deel uit van het Battery500 Consortium onder leiding van PNNL dat tot doel heeft kleinere, aansteker, en goedkopere batterijen die bijna driemaal de specifieke energie bevatten die wordt aangetroffen in batterijen die de elektrische auto's van vandaag van stroom voorzien. Specifieke energie meet de hoeveelheid energie die in een batterij is verpakt op basis van het gewicht.