(Phys.org) — Een van de grootste problemen waarmee energierijke, lithium-metaalbatterijen zijn dendrieten, die zich vormen wanneer een deel van het lithium van de elektrode begint te vertakken buiten de elektrode en in de elektrolyt, kortsluiting veroorzaken. Om dendrietgroei onder controle te houden, onderzoekers gebruiken membraanscheiders om te proberen het lithium te bevatten, maar tot nu toe is geen enkel separatormateriaal ideaal gebleken:keramische separatoren zijn broos en vormen scheuren, polymeerafscheiders zijn mechanisch zwak, en effectieve nanovezelscheiders zijn tot nu toe erg moeilijk te fabriceren.

Nu in een nieuwe studie gepubliceerd in Nano-letters , Xiaoming Hao et al. heeft mogelijk een separatormateriaal gevonden dat alle juiste eigenschappen lijkt te hebben om een ​​dendrietbestendige batterij te realiseren. De onderzoekers assembleerden ultrasterke nanovezelmembranen gemaakt van een soort polymeer microvezel genaamd Zylon (of PBO). Omdat Zylon lichtgewicht en zelfs sterker is dan Kevlar, het is gebruikt in verschillende high-tech toepassingen, inclusief NASA's Marsrovers, ruimteliftprototypes, en sportuitrusting zoals snowboards en tennisrackets.

Hier toonden de onderzoekers aan dat, wanneer Zylon-microvezels worden geëxfolieerd tot nanovezels en vervolgens in dunne membranen worden gegoten, de combinatie van kracht, elektrische weerstand, en hoge hittetolerantie maken ze uitzonderlijk goede membraanscheiders voor het voorkomen van dendrietgroei in lithiumbatterijen.

"Het grootste belang van dit werk is dat ultrasterke nanoporeuze membranen van geëxfolieerde Zylon-nanovezels zijn ontwikkeld, " co-auteur Jian Zhu aan de Northwestern University in Evanston, Illinois, vertelde Phys.org . "Deze membranen kunnen dienen als hoogwaardige batterijscheiders voor het onderdrukken van lithiumdendrieten en het tolereren van extreme omstandigheden, zoals hoge temperatuur."

In vergelijking met een van de huidige state-of-the-art batterijscheiders, Celgard 2400, het nieuwe nanovezelmembraan vertoont voordelen op verschillende gebieden. Na 230 uur fietsen een batterij met de Celgard 2400, het elektrodeoppervlak lijkt bemost met dendritische lithiumgroei, terwijl een elektrodeoppervlak met het nieuwe nanovezelmembraan zelfs na 700 uur glad blijft. Dit verbod op dendrietvorming resulteert in prestatievoordelen, met inbegrip van een hogere stabiliteit op lange termijn en een hogere efficiëntie. De nieuwe nanovezelmembranen zijn ook beter bestand tegen hitte, dus terwijl de Celgard 2400 begint te smelten bij ongeveer 125 °, waardoor de batterij defect raakt, batterijen met de nieuwe membranen blijven werken tot 185°, het punt waarop de elektrolyt ontleedt.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om strategieën te onderzoeken voor goedkope massaproductie van de nanovezelmembranen op industriële schaal.

"Er zijn verschillende richtingen voor dit gebied in de toekomst, " zei Zhu. "Een prioriteit is dat we op zoek zijn naar alternatieve synthesemethoden met lagere kosten en meer milieuvriendelijkheid voor het bereiden van Zylon (PBO) nanovezels. Ons doel is om deze membranen goedkoop genoeg te maken om aantrekkelijker te zijn voor industriële partners. Een andere richting is de toepassing van deze membranen in andere batterijsystemen waarbij dendrietvorming mogelijk is."

Deze systemen omvatten batterijen op basis van zwavel, natrium, of aluminium, evenals supercondensatoren. Door hun uitzonderlijke eigenschappen, de nanovezels kunnen ook worden gebruikt om de sterkte van hydrogels te versterken, aerogels, en diverse composietmaterialen.

© 2016 Fys.org