Van smartphones tot elektrische voertuigen, veel van de huidige technologieën werken op lithium-ionbatterijen. Dat betekent dat consumenten hun opladers bij de hand moeten houden. Een iPhone X-batterij gaat maar 21 uur gesprekstijd mee, en Tesla's model S heeft een bereik van 335 mijl - wat betekent dat je zou kunnen verwachten dat je het vanuit Newark zou halen, Delaware naar Providence, Rhode Island, maar niet helemaal naar Boston, op één lading.

Wetenschappers over de hele wereld, zelfs de uitvinder van lithium-ionbatterijen zelf, John Goodenough — zoeken naar manieren om oplaadbare batterijen veiliger te maken, aansteker, en krachtiger.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Bingqing Wei, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Delaware en directeur van het Centrum voor Brandstofcellen en Batterijen, doet werk dat de basis zou kunnen leggen voor een wijdverbreider gebruik van lithium-metaalbatterijen die meer capaciteit zouden hebben dan de lithium-ionbatterijen die tegenwoordig in consumentenelektronica worden gebruikt. Het team ontwikkelde een methode om dendrietvorming in lithium-metaalbatterijen te verminderen, die ze hebben beschreven in een paper gepubliceerd in Nano-letters .

De belofte (en valkuilen) van lithium-metaalbatterijen

In een lithium-ionbatterij, de anode, of stroomopwekkende zijde, is gemaakt van een materiaal, zoals grafiet, met daaraan gebonden lithiumionen. De lithiumionen stromen naar de kathode, of stroomafnemende kant.

In een lithium-metaalbatterij, de anode is gemaakt van lithiummetaal. Elektronen stromen van de anode naar de kathode om elektriciteit op te wekken. Oplaadbare batterijen gemaakt van lithiummetaal zijn veelbelovend omdat lithium het meest elektrisch positieve metaal is en een zeer hoge capaciteit heeft.

"Theoretisch, lithiummetaal is een van de beste keuzes voor batterijen, maar in de praktijk is het moeilijk te hanteren, ' zei Wei.

Lithium-metaalbatterijen waren inefficiënt, onstabiel, en tot nu toe zelfs brandgevaar. Hun prestaties worden belemmerd door lithiumdendrieten, formaties die eruitzien als kleine stalagmieten gemaakt van lithiumafzettingen. Aangezien een batterij wordt gebruikt, lithiumionen verzamelen zich op de anode. Overuren, de lithiumafzettingen worden niet-uniform, leidend tot de vorming van deze dendrieten, waardoor de batterij kan worden kortgesloten.

Een nieuw begrip

Onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben verschillende technieken geprobeerd om de vorming en groei van deze dendrieten te onderdrukken. Na het bestuderen van de literatuur, Wei had ontdekt dat bijna alle toegepaste technieken onder één paraplu konden worden begrepen:het introduceren van een laag poreus materiaal in het systeem zou kunnen voorkomen dat dendrieten zich op de anode verzamelen.

Met behulp van wiskundige modellering, het onderzoeksteam ontdekte dat een poreus materiaal de initiatie en groei van dendrieten onderdrukte. De dendrieten die zich wel vormden, waren 75 procent korter dan de dendrieten die zich vormden in systemen zonder het poreuze membraan. Om de bevinding verder te bewijzen, het team vervaardigde een membraan gemaakt van kleine draadjes van poreus siliciumnitride die elk minder dan een miljoenste van een meter groot waren. Ze integreerden dit membraan vervolgens in lithium-metaalcellen in een batterij en lieten het 3, 000 uur. Er groeiden geen dendrieten.

"Dit fundamentele begrip is misschien niet beperkt tot het siliciumnitride dat we gebruikten, "Zei Wei. "Andere poreuze structuren kunnen dit ook doen."

Bovendien, dit principe kan zich ook uitstrekken tot andere batterijsystemen, zoals batterijen op basis van zink of kalium, hij zei.

"Op dit gebied van op metaal gebaseerde batterijen, dit is up-to-date inzicht, " zei hij. "Dit is het soort werk dat een grote impact zou kunnen hebben."