Virginia Commonwealth University-forskare arbetar för att förbättra ledningsförmåga och säkerhet i litiumjonbatterier, som används för att driva många elektroniska enheter runt om i världen, inklusive bärbara datorer, iPods, satelliter, konstgjorda hjärtan och mobiltelefoner.

Instabilitet i litiumjonbatterier på grund av elektrolyter i flytande tillstånd som hjälper till att transportera laddningar från en batterielektrod till en annan är en fara som forskare kan förhindra, sa Puru Jena, Ph.D., en framstående professor vid institutionen för fysik vid Högskolan för humaniora och vetenskap. Trots denna instabilitet, Elektrolyter i flytande tillstånd är vanliga i litiumjonbatterier på grund av deras ledande överlägsenhet över mer stabila elektrolyter i fast tillstånd.

Teoretiska studier av Jena och kollega Hong Fang, en postdoktor vid institutionen för fysik, visar att det är möjligt att designa elektrolyter i fast tillstånd inte bara så att de är lika ledande som sina flytande motsvarigheter utan också mycket stabila. Deras resultat, som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences den här månaden, kan leda till säkrare och kraftfullare litiumjonbatterier.

"Teoretiskt sett, du kan ta din tårta och äta den också, när det kommer till stabilitet och konduktivitet, sa Jena.

Elektrolyter, som är centrala för ett batteri, är salter som består av positiva och negativa joner. Positiva joner är atomer som har fler protoner än elektroner, medan negativa joner omvänt har fler elektroner än protoner.

I ett litiumjonbatteri, positiva litiumjoner strömmar mellan elektroderna via elektrolyter. Litiumjoner kan flöda fritt genom elektrolyter i flytande tillstånd men är mindre rörliga i en elektrolyt i fast tillstånd, vilket påverkar konduktiviteten negativt.

För att förbättra ledningsförmågan i fasta elektrolyter, forskarna tog fram en beräkningsmodell där en enda negativ jon avlägsnas. Negativa klusterjoner - grupper av atomer med fler elektroner än protoner - ersätter den frånvarande jonen.

Forskarna konceptualiserade en vridning på en specifik elektrolyt i fast tillstånd som tidigare testats av andra forskare. Ursprungligen, elektrolyten, som tillhör en familj av kristaller som kallas antiperovskiter, innehöll positiva joner gjorda av tre litiumatomer och en syreatom. De positiva jonerna förenades med en enda kloratom som var en negativ jon.

I beräkningsmodellen, kloratomen ersätts av en negativ klusterjon skapad av en boratom och fyra fluoratomer förenade med de befintliga positiva jonerna.

Andra kombinationer av negativa klusterjoner identifierades för att potentiellt förbättra konduktiviteten.

"Att ersätta klorjonen med klusterjoner förbättrar konduktiviteten eftersom dessa joner är större och låter litiumjonerna röra sig snabbt, som om de var i en vätska, " sa Fang.

Jena och Fang letar nu efter samarbetspartners för att testa sin beräkningsmodell i en laboratoriemiljö för eventuella litiumjonbatteritillämpningar.