Onderzoekers hebben de eerste batterij-elektrode gemaakt die zichzelf geneest, het openen van een nieuw en potentieel commercieel levensvatbaar pad voor het maken van de volgende generatie lithium-ionbatterijen voor elektrische auto's, mobiele telefoons en andere apparaten. Het geheim is een rekbaar polymeer dat de elektrode bedekt, bindt het samen en geneest spontaan kleine scheurtjes die ontstaan ​​tijdens het gebruik van de batterij, zei het team van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy (DOE).

Ze meldden het voorschot in het nummer van 19 november van Natuurchemie .

"Zelfgenezing is erg belangrijk voor het voortbestaan ​​en de lange levensduur van dieren en planten, " zei Chao Wang, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford en een van de twee belangrijkste auteurs van het artikel. "We willen deze functie in lithium-ionbatterijen opnemen, zodat ze ook een lange levensduur hebben."

Chao ontwikkelde het zelfherstellende polymeer in het laboratorium van Stanford Professor Zhenan Bao, wiens groep heeft gewerkt aan een flexibele elektronische huid voor gebruik in robots, sensoren, prothetische ledematen en andere toepassingen. Voor het batterijproject voegde hij minuscule nanodeeltjes koolstof toe aan het polymeer, zodat het elektriciteit zou geleiden.

"We ontdekten dat siliciumelektroden 10 keer langer meegaan als ze zijn gecoat met het zelfherstellende polymeer, die eventuele scheuren binnen enkele uren repareerde, ' zei Bao.

"Hun capaciteit om energie op te slaan is nu in het praktische bereik, maar dat willen we zeker pushen, " zei Yi Cui, een universitair hoofddocent bij SLAC en Stanford die het onderzoek met Bao leidde. De elektroden werkten ongeveer 100 laad-ontlaadcycli zonder hun energieopslagcapaciteit aanzienlijk te verliezen. "Dat is nog een heel eind verwijderd van het doel van ongeveer 500 cycli voor mobiele telefoons en 3, 000 cycli voor een elektrisch voertuig, " zei Cui, "maar de belofte is er, en uit al onze gegevens blijkt dat het werkt."

Wereldwijd zoeken onderzoekers naar manieren om meer energie op te slaan in de negatieve elektroden van lithium-ionbatterijen om hogere prestaties te bereiken en tegelijkertijd het gewicht te verminderen. Een van de meest veelbelovende elektrodematerialen is silicium; het heeft een hoge capaciteit om lithiumionen uit de batterijvloeistof op te nemen tijdens het opladen en deze vervolgens vrij te geven wanneer de batterij aan het werk wordt gezet.

Maar deze hoge capaciteit heeft een prijs:siliciumelektroden zwellen op tot drie keer de normale grootte en krimpen weer terug elke keer dat de batterij wordt opgeladen en ontladen, en het brosse materiaal barst snel en valt uit elkaar, verslechterende batterijprestaties. Dit is een probleem voor alle elektroden in batterijen met een hoge capaciteit, zei Hui Wu, een voormalige Stanford-postdoc die nu faculteitslid is aan de Tsinghua University in Peking, de andere hoofdauteur van het artikel.

Om de zelfherstellende coating te maken, wetenschappers hebben opzettelijk enkele van de chemische bindingen in polymeren verzwakt - lange, ketenachtige moleculen met veel identieke eenheden. Het resulterende materiaal breekt gemakkelijk, maar de afgebroken uiteinden worden chemisch naar elkaar toe getrokken en sluiten snel weer aan, het nabootsen van het proces waardoor biologische moleculen zoals DNA kunnen assembleren, herschikken en afbreken.

Onderzoekers in het laboratorium van Cui en elders hebben een aantal manieren getest om siliciumelektroden intact te houden en hun prestaties te verbeteren. Sommige worden onderzocht voor commercieel gebruik, maar veel ervan hebben betrekking op exotische materialen en fabricagetechnieken die moeilijk op te schalen zijn voor productie.

De zelfherstellende elektrode, die is gemaakt van siliciummicrodeeltjes die veel worden gebruikt in de halfgeleider- en zonnecelindustrie, is de eerste oplossing die een praktische weg vooruit lijkt te bieden, zei Cui. De onderzoekers zeiden dat ze denken dat deze aanpak ook zou kunnen werken voor andere elektrodematerialen, en ze zullen de techniek blijven verfijnen om de prestaties en levensduur van de siliciumelektrode te verbeteren.