Wetenschappers van Rice University rekenen op films van koolstofnanobuisjes om krachtige, snelladende lithium-metaalbatterijen een logische vervanging voor gewone lithium-ionbatterijen.

Het Rice-lab van scheikundige James Tour toonde aan dat dunne nanobuisfilms effectief dendrieten stoppen die van nature groeien uit onbeschermde lithiummetaalanoden in batterijen. Overuren, deze tentakelachtige dendrieten kunnen de elektrolytkern van de batterij doorboren en de kathode bereiken, waardoor de batterij defect raakt.

Dat probleem heeft zowel het gebruik van lithiummetaal in commerciële toepassingen gedempt als onderzoekers wereldwijd aangemoedigd om het op te lossen.

Lithiummetaal laadt veel sneller op en bevat ongeveer 10 keer meer energie per volume dan de lithium-ionelektroden die in zowat elk elektronisch apparaat worden aangetroffen, inclusief mobiele telefoons en elektrische auto's.

"Een van de manieren om dendrieten in lithium-ionbatterijen te vertragen, is door te beperken hoe snel ze worden opgeladen, ' zei Tour. 'Dat vinden mensen niet leuk. Ze willen hun batterijen snel kunnen opladen."

Het antwoord van het Rice-team, gedetailleerd in Geavanceerde materialen , is simpel, goedkoop en zeer effectief in het stoppen van dendrietgroei, zei toer.

"Wat we hebben gedaan blijkt heel eenvoudig te zijn, " zei hij. "Je bedekt een lithium-metaalfolie gewoon met een meerwandige koolstof nanobuisfilm. Het lithium dopt de nanobuisfilm, die van zwart naar rood verandert, en de film verspreidt op zijn beurt de lithiumionen."

"Fysiek contact met lithiummetaal vermindert de nanobuisfilm, maar balanceert het door lithiumionen toe te voegen, " zei Rice postdoctoraal onderzoeker Rodrigo Salvatierra, co-hoofdauteur van het artikel met afgestudeerde student Gladys López-Silva. "De ionen verspreiden zich door de nanobuisfilm."

Wanneer de batterij in gebruik is, de film ontlaadt opgeslagen ionen en de onderliggende lithiumanode vult deze opnieuw, behoud van het vermogen van de film om dendrietgroei te stoppen.

De film met verwarde nanobuisjes doofde effectief dendrieten gedurende 580 laad-/ontlaadcycli van een testbatterij met een kathode met gezwavelde koolstof die het laboratorium in eerdere experimenten ontwikkelde. De onderzoekers meldden dat de volledige lithiummetaalcellen 99,8 procent van hun coulombefficiëntie behielden, de maatstaf voor hoe goed elektronen bewegen binnen een elektrochemisch systeem.