Wetenschappers van Rice University hebben een oplaadbare lithium-metaalbatterij gemaakt met drie keer de capaciteit van commerciële lithium-ionbatterijen door iets op te lossen waar onderzoekers al lang over struikelden:het dendrietprobleem.

De Rice-batterij slaat lithium op in een unieke anode, een naadloze hybride van grafeen en koolstofnanobuisjes. Het materiaal dat in 2012 voor het eerst bij Rice werd gemaakt, is in wezen een driedimensionaal koolstofoppervlak dat lithium in overvloed heeft om te bewonen.

De anode zelf benadert het theoretische maximum voor opslag van lithiummetaal, terwijl het weerstand biedt aan de vorming van schadelijke dendrieten of "bemoste" afzettingen.

Dendrieten hebben pogingen gedaan om lithium-ion te vervangen door geavanceerde lithium-metaalbatterijen die langer meegaan en sneller opladen. Dendrieten zijn lithiumafzettingen die uitgroeien tot de elektrolyt van de batterij. Als ze de anode en kathode overbruggen en kortsluiting veroorzaken, de batterij kan defect raken, vlam vatten of zelfs ontploffen.

Rijstonderzoekers onder leiding van scheikundige James Tour ontdekten dat wanneer de nieuwe batterijen worden opgeladen, lithiummetaal bedekt de sterk geleidende koolstofhybride waarin nanobuisjes covalent aan het grafeenoppervlak zijn gebonden, gelijkmatig.

Zoals gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano , de hybride vervangt grafietanodes in gewone lithium-ionbatterijen die capaciteit inruilen voor veiligheid.

"Lithium-ionbatterijen hebben de wereld veranderd, ongetwijfeld, "Toer zei, 'maar ze zijn ongeveer net zo goed als ze kunnen worden. De batterij van je mobiele telefoon gaat niet langer mee totdat er nieuwe technologie komt.'

Hij zei dat het nanobuisbos van de nieuwe anode, met zijn lage dichtheid en groot oppervlak, heeft voldoende ruimte voor lithiumdeeltjes om in en uit te glippen terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen. Het lithium wordt gelijkmatig verdeeld, het verspreiden van de stroom gedragen door ionen in de elektrolyt en het onderdrukken van de groei van dendrieten.

Hoewel de capaciteit van de prototypebatterij wordt beperkt door de kathode, het anodemateriaal bereikt een lithiumopslagcapaciteit van 3, 351 milliampère uur per gram, dicht bij het theoretische maximum en 10 keer dat van lithium-ionbatterijen, zei toer. Vanwege de lage dichtheid van het nanobuistapijt, het vermogen van lithium om tot aan de ondergrond te coaten zorgt voor een maximale benutting van het beschikbare volume, hij zei.

De onderzoekers hadden hun "Aha!" moment in 2014, toen mede-hoofdauteur Abdul-Rahman Raji, een voormalige afgestudeerde student in het lab van Tour en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Cambridge, begon te experimenteren met lithiummetaal en de grafeen-nanobuis hybride.

"Ik redeneerde dat lithiummetaal op de elektrode moet zijn geplateerd tijdens het analyseren van de resultaten van experimenten die zijn uitgevoerd om lithiumionen op te slaan in het anodemateriaal in combinatie met een lithiumkobaltoxide-kathode in een volledige cel, " zei Raji. "We waren opgewonden omdat het spanningsprofiel van de volledige cel erg vlak was. Op dat moment, we wisten dat we iets bijzonders hadden gevonden."

Binnen een week, Raji en co-hoofdauteur Rodrigo Villegas Salvatierra, een postdoctoraal onderzoeker van Rice, lithiummetaal in een op zichzelf staande hybride anode deponeerden zodat ze het met een microscoop van dichterbij konden bekijken. "We waren stomverbaasd toen we ontdekten dat er geen dendrieten waren gegroeid, en de rest is geschiedenis, ' zei Raji.

Om de anode te testen, het Rice-lab bouwde volledige batterijen met kathoden op zwavelbasis die na meer dan 500 laad-ontlaadcycli 80 procent capaciteit behielden, ongeveer twee jaar gebruikswaarde voor een normale gsm-gebruiker, zei toer. Elektronenmicroscoopbeelden van de anodes na testen toonden geen teken van dendrieten of de mosachtige structuren die zijn waargenomen op platte anodes. Met het blote oog, anoden in de kwart-sized batterijen waren donker als ze leeg waren van lithiummetaal en zilver als ze vol waren, meldden de onderzoekers.

"Veel mensen die batterijonderzoek doen, maken alleen de anode, omdat het veel moeilijker is om het hele pakket te doen, " zei Tour. "We moesten een evenredige kathodetechnologie ontwikkelen op basis van zwavel om deze lithiumanoden met ultrahoge capaciteit in systemen van de eerste generatie op te nemen. We produceren deze volle batterijen, kathode plus anode, op pilootschaal, en ze worden getest."