Mensen vragen niet te veel van batterijen:Lever energie wanneer het nodig is en zo lang als het nodig is, snel opladen en niet in brand vliegen.

Een golf van branden in mobiele telefoons in 2016 schokte het consumentenvertrouwen in lithium-ionbatterijen, een technologie die heeft bijgedragen aan de introductie van moderne draagbare elektronica, maar wordt sinds de introductie in de jaren tachtig geplaagd door veiligheidsproblemen. Nu de belangstelling voor elektrische voertuigen toeneemt, onderzoekers en insiders uit de industrie zijn op zoek naar verbeterde oplaadbare batterijtechnologie die auto's veilig en betrouwbaar kan aandrijven, autonome voertuigen, robotica en andere apparaten van de volgende generatie.

Nieuw onderzoek van Cornell bevordert het ontwerp van solid-state batterijen, een technologie die inherent veiliger en energierijker is dan de huidige lithium-ionbatterijen, die afhankelijk zijn van ontvlambare vloeibare elektrolyten voor snelle overdracht van chemische energie die is opgeslagen in moleculaire bindingen naar elektriciteit. Door te beginnen met vloeibare elektrolyten en deze vervolgens om te zetten in vaste polymeren in de elektrochemische cel, de onderzoekers profiteren van zowel vloeibare als vaste eigenschappen om de belangrijkste beperkingen in de huidige batterijontwerpen te overwinnen.

"Stel je een glas vol ijsblokjes voor:een deel van het ijs zal in contact komen met het glas, maar er zijn hiaten, " zei Qing Zhao, een postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van het onderzoek, "Solid-state polymeerelektrolyten met ingebouwd snel grensvlaktransport voor secundaire lithiumbatterijen, " gepubliceerd op 11 maart in Natuur Energie .

"Maar als je het glas met water vult en het invriest, de interfaces worden volledig gecoat, en je legt een sterke verbinding tussen het vaste oppervlak van het glas en de vloeibare inhoud, " Qing zei. "Ditzelfde algemene concept in een batterij vergemakkelijkt hoge ionenoverdracht over de vaste oppervlakken van een batterijelektrode naar een elektrolyt zonder dat een brandbare vloeistof nodig is om te werken."

Het belangrijkste inzicht is de introductie van speciale moleculen die polymerisatie in de elektrochemische cel kunnen initiëren, zonder andere functies van de cel in gevaar te brengen. Als de elektrolyt een cyclische ether is, de initiator kan worden ontworpen om de ring open te scheuren, het produceren van reactieve monomeerstrengen die aan elkaar binden om lange ketenachtige moleculen te creëren met in wezen dezelfde chemie als de ether. Dit nu vaste polymeer behoudt de strakke verbindingen op de metalen interfaces, net als het ijs in een glas.

Naast hun relevantie voor het verbeteren van de veiligheid van batterijen, vastestofelektrolyten zijn ook gunstig voor het mogelijk maken van batterijen van de volgende generatie die metalen, inclusief lithium en aluminium, als anodes voor het bereiken van veel meer energieopslag dan mogelijk is met de huidige state-of-the-art batterijtechnologie. In deze context, de elektrolyt in vaste toestand voorkomt dat het metaal dendrieten vormt, een fenomeen dat een batterij kan kortsluiten en kan leiden tot oververhitting en uitval.

Ondanks de waargenomen voordelen van solid-state batterijen, pogingen van de industrie om ze op grote schaal te produceren, stuitten op tegenslagen. De fabricagekosten zijn hoog, en de slechte grensvlakeigenschappen van eerdere ontwerpen vormen aanzienlijke technische hindernissen. Een solid-state systeem omzeilt ook de noodzaak van batterijkoeling door stabiliteit te bieden aan thermische veranderingen.

"Onze bevindingen openen een geheel nieuwe weg om praktische solid-state batterijen te maken die in een reeks toepassingen kunnen worden gebruikt, " zei senior auteur Lynden Archer, de James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering.

Volgens Archer, de nieuwe in-situ-strategie voor het maken van vaste polymeerelektrolyten is bijzonder opwindend omdat het veelbelovend is voor het verlengen van de levensduur en het opladen van oplaadbare metaalbatterijen met hoge energiedichtheid.

"Onze aanpak werkt voor de huidige lithium-iontechnologie door deze veiliger te maken, maar biedt kansen voor toekomstige batterijtechnologie, ' zei Archer.