Een onderzoeksteam van de Washington State University heeft een manier ontwikkeld om een ​​groot veiligheidsprobleem met lithium-metaalbatterijen aan te pakken - een innovatie die energierijke batterijen levensvatbaarder zou kunnen maken voor energieopslag van de volgende generatie.

De onderzoekers gebruikten een formulering voor hun batterijen die leidde tot de vorming van een unieke, beschermende laag rond hun lithiumanode, om de batterijen te beschermen tegen degradatie en ze langer te laten werken onder normale omstandigheden. Onder leiding van Min-Kyu Song, universitair docent aan de WSU School of Mechanical and Materials Engineering, de onderzoekers rapporteren over het werk in het tijdschrift, Nano-energie .

Lithiummetaal wordt beschouwd als het "droommateriaal" voor batterijen, zei Lied. Dat komt omdat onder bekende vaste materialen, het heeft de hoogste energiedichtheid, wat betekent dat batterijen twee keer zo lang kunnen werken en meer energie kunnen bevatten dan de alomtegenwoordige lithium-ionbatterijen die de meeste moderne elektronica van stroom voorzien. Terwijl lithium-ionbatterijen werken door lithiumionen door te laten tussen een grafietanode en een lithiumkobaltoxide-kathode, de anode in een lithium-metaalbatterij is gemaakt van het hoogenergetische lithiummetaal.

"Als we lithiummetaal direct kunnen gebruiken, we kunnen de energiedichtheid van batterijen drastisch verbeteren, ' zei Lied.

Hoewel de voordelen van lithiummetaal al tientallen jaren bekend zijn, onderzoekers hebben ze nooit veilig kunnen laten werken. Terwijl elektronen tussen de anode en kathode door het externe circuit reizen om een ​​apparaat van stroom te voorzien, Kerstboomachtige dendrieten beginnen zich op het lithiummetaal te vormen. De dendrieten groeien tot ze kortsluiting veroorzaken, branden, of explosies. Zelfs als ze niet in brand vliegen, de lithium-metaalbatterijen verliezen ook zeer snel hun vermogen om op te laden.

Het WSU-onderzoeksteam ontwikkelde een batterij waarin ze seleniumdisulfide verpakten, een niet-giftige chemische stof die wordt gebruikt in roosshampoo, in een poreuze koolstofstructuur voor hun kathode. Ze voegden twee additieven toe aan de vloeibare elektrolyten die doorgaans worden onderzocht in lithiumbatterijen van de volgende generatie.

De twee additieven werkten synergetisch en vormden een beschermende laag op het lithiummetaaloppervlak dat dicht, geleidend, en robuust genoeg om de groei van dendrieten te onderdrukken en tegelijkertijd een goede fietsstabiliteit mogelijk te maken, zei Lied. Wanneer getest met typische stroomdichtheden die mensen zouden gebruiken voor elektronica, de beschermde lithiummetaalanode kon 500 keer opladen en behield een hoog rendement.

"Zo'n unieke beschermende laag leidde tot kleine morfologische veranderingen van de lithiumanode tijdens het fietsen en verzachtte effectief de groei van lithiumdendrieten en ongewenste nevenreacties, " hij zei.

De onderzoekers denken dat hun technologie schaalbaar en kosteneffectief kan zijn.

"Als het gecommercialiseerd is, deze nieuwe formulering heeft echt potentieel, Song zei. "Vergeleken met solid-state batterijen die nog jaren verwijderd zijn, u hoeft de productieprocedures niet te veranderen, en dit zou veel eerder van toepassing zijn op de echte industrie, het openen van een veelbelovende route naar de ontwikkeling van hoogenergetische lithium-metaalbatterijen met een lange levensduur."

De onderzoekers werken verder aan de batterij, het ontwikkelen van een separator die de batterijmaterialen verder zal beschermen tegen aantasting en de veiligheid zal verbeteren zonder afbreuk te doen aan de prestaties.