Lithium-metaalbatterijen - die tot 10 keer meer lading kunnen bevatten dan de lithium-ionbatterijen die momenteel onze telefoons van stroom voorzien, laptops en auto's - zijn niet gecommercialiseerd vanwege een fatale fout:aangezien deze batterijen worden opgeladen en ontladen, lithium wordt ongelijkmatig op de elektroden afgezet. Deze opbouw verkort de levensduur van deze batterijen te kort om ze levensvatbaar te maken, en nog belangrijker, kunnen de batterijen kortsluiten en vlam vatten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago hebben een oplossing voor dit probleem ontwikkeld in de vorm van een met grafeenoxide gecoat 'nanoblad' dat, wanneer geplaatst tussen de twee elektroden van een lithium-metaalbatterij, voorkomt ongelijkmatige beplating van lithium en zorgt ervoor dat de batterij veilig kan functioneren gedurende honderden laad-/ontlaadcycli. Ze rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

"Onze bevindingen tonen aan dat tweedimensionale materialen - in dit geval grafeenoxide - kan helpen bij het reguleren van lithiumafzetting op een manier die de levensduur van lithium-metaalbatterijen verlengt, " zei Reza Shahbazian-Yassar, universitair hoofddocent mechanische en industriële techniek aan het UIC College of Engineering en corresponderende auteur van het papier.

Lithium-metaalbatterijen zijn zo handig vanwege hun hoge energiedichtheid en relatief lichte gewicht in vergelijking met conventionele batterijen. Echter, in de loop van vele laad-ontlaadcycli, lithium bouwt zich ongelijkmatig op op de lithiummetaalelektrode van de batterij in een vertakkend of 'dendritisch' patroon en zorgt er uiteindelijk voor dat de batterij leeg raakt. Als de dendrieten door de elektrolytoplossing groeien en contact maken met de andere elektrode, dan kan de batterij een catastrofale gebeurtenis ondergaan, met andere woorden, een explosie of brand.

In lithium-ionbatterijen, in de elektrolyt wordt een separator geplaatst. Meestal gemaakt van een poreus polymeer of glaskeramische vezels, de afscheider laat lithiumionen door terwijl de andere componenten geblokkeerd blijven om elektrische kortsluiting te voorkomen, die tot brand kunnen leiden.

Reza en collega's gebruikten een gemodificeerde separator in een lithium-metaalbatterij om de stroom van lithiumionen te moduleren om de snelheid van lithiumafzetting te regelen en te kijken of ze konden voorkomen dat dendrieten zich vormen. Ze hebben een glasvezelafscheider gespoten met grafeenoxide, produceren wat ze een nanosheet noemden.

Met behulp van scanning elektronenmicroscopie en andere beeldvormende technieken, toonden de onderzoekers aan dat wanneer de nanosheet werd gebruikt in een lithium-metaalbatterij, een uniforme film van lithium gevormd op het oppervlak van de lithiumelektrode, wat de batterijfunctie daadwerkelijk verbetert en de batterij veel veiliger maakt, zei Tara Foroozan, een afgestudeerde student aan het UIC College of Engineering en eerste auteur van deze studie.

Moleculaire simulaties, geleid door een team van onderzoekers van de Texas A &M University, suggereerde dat de lithiumionen tijdelijk worden gebonden aan het grafeenoxide, en vervolgens diffunderen door gebieden met nanoscopische defecten in het vel. Dit vertraagt ​​de doorgang van lithiumionen voldoende om de vorming van dendritische afzetting van lithium op de elektrode te voorkomen.

"De nanosheet vertraagt ​​​​de doorgang van lithiumionen voldoende om een ​​meer uniforme beplating op lithiumionen over het oppervlak van de elektrode mogelijk te maken, die helpt de levensduur van de batterij te verlengen, ' zei Reza.

Resultaten van faseveldmodelleringsberekeningen onder leiding van Farzad Mashayek, professor en hoofd werktuigbouwkunde en industriële techniek aan het UIC College of Engineering en een auteur op het papier, gaf aan dat grafeenoxide ook mechanisch de groei van lithiumdendrieten kan onderdrukken.

"We laten zien dat tweedimensionale grafeenoxidematerialen de vorming van dendrieten kunnen belemmeren door de snelheid van lithium-iondiffusie te veranderen terwijl ze door de grafeenoxidelagen gaan, "zei Shahbazian-Yassar. "Deze methode heeft een zeer hoog potentieel voor industriële toepassing en schaalbaarheid."