Een beetje poetsen is misschien wel het geheim van het maken van betere oplaadbare lithiumbatterijen.

Het laboratorium van de Rice University van scheikundige James Tour introduceerde een techniek om het oppervlak van anodes voor batterijen af ​​te stemmen door er eenvoudig poeder in te borstelen. Het poeder hecht zich aan de anode en wordt een dunne, gelithieerde coating die de vorming van schadelijke dendrieten effectief voorkomt.

Een poeder van fosfor en zwavel dat in het oppervlak van lithiummetaalfolie is vermalen, toonde aan dat de oppervlakte-energie kan worden afgestemd zonder de noodzaak van giftige oplosmiddelen. Anodes die zo zijn aangepast en gecombineerd met lithium-ijzerfosfaat-oxide-kathoden in testcellen, toonden aan dat ze 70% meer capaciteit behielden na 340 laad-ontlaadcycli dan standaardbatterijen.

Het onderzoek verschijnt in Advanced Materials .

"Dit zou de productie van batterijen met hoge capaciteit vereenvoudigen en tegelijkertijd enorm verbeteren", zei Tour. "Het schuren van deze poedervormige vaste stoffen in een lithiummetaalanode vermindert drastisch de vorming van dendrieten die een batterij kunnen kortsluiten, evenals het versnelde verbruik van de materialen."

Hoofdauteur en afgestudeerde Rice-student Weiyin Chen en zijn laboratoriumcollega's hebben het nodige elleboogvet aangebracht om een ​​verscheidenheid aan poederkandidaten op hun elektroden te testen. Ze hebben eerst het oppervlak geborsteld om het textuur te geven en vervolgens met poeder geborsteld om de fijne film te creëren die reageert met het lithiummetaal en een stevige passiveringslaag vormt.

Chen en co-auteur Rodrigo Salvatierra, een voormalig postdoctoraal onderzoeker en nu een academische bezoeker in het Tour-lab, construeerden testbatterijen en bepaalden dat de behandelde anodes ultralage polarisatie behielden - een andere schadelijke eigenschap voor lithium-ionbatterijen - gedurende meer dan 4.000 uur, ongeveer acht keer langer dan kale lithiumanoden.

Tour zei dat de poeders de oppervlakte-energie van de elektroden effectief afstemmen, wat zorgt voor een meer uniform gedrag over het materiaal.

"Dit zorgt voor een metaalcomposietoppervlak dat het verlies van lithiummetaal uit de anode voorkomt, een veelvoorkomend probleem bij lithium-metaalbatterijen", zei Tour. "Lithium-metaalbatterijen overtreffen de capaciteit van traditionele lithium-ionbatterijen ver, maar het lithiummetaal is vaak moeilijk herhaaldelijk op te laden."

"Het poeder op het lithiummetaaloppervlak produceert een kunstmatige passiveringslaag die de stabiliteit tijdens de laad-ontlaadcycli verbetert," zei Chen. "Met deze brush-on-methode wordt het metalen oppervlak gestabiliseerd, zodat het veilig kan worden opgeladen."

Om aan te tonen dat de techniek een bredere toepassing kan hebben, heeft het laboratorium ook poeder gemalen tot een natriumelektrode en ontdekte dat het proces de overpotentiaal van de spanning aanzienlijk stabiliseerde.

Het onderzoek sluit aan bij de recente ontdekking van Tour en Rice werktuigbouwkundig ingenieur C. Fred Higgs III dat het schuren van bepaalde poeders in oppervlakken ze superhydrofoob of zeer goed bestand tegen water kan maken.

Co-auteurs van het papier zijn Rice alums John Li en Duy Luong; afgestudeerde studenten Jacob Beckham, Nghi La en Jianan Xu, en academische bezoeker Victor Li. Tour is de T.T. en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar informatica en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice. + Verder verkennen

Nanobuisjes kunnen de wereld betere batterijen geven