Genom att designa en solid elektrolyt som är styv på ena sidan och mjuk på den andra, forskare har tillverkat ett litium-metallbatteri som helt undertrycker dendritbildning - en stor säkerhetsrisk som kan orsaka bränder och förkorta batteriets livslängd. Denna design övervinner också en kompromiss som vanligtvis finns i dessa batterier, genom att samtidigt eliminera dendrittillväxt och minska motståndet vid elektrod/elektrolytgränssnittet. Typiska metoder kan inte uppnå båda dessa mål samtidigt.

Forskarna, från Profs. Yu-Guo Guo och Li-Jun Wans grupper av Chinese Academy of Sciences och University of Chinese Academy of Sciences, har publicerat en artikel om den nya elektrolyten i ett nyligen utgåva av Journal of the American Chemical Society .

"Vi har föreslagit en asymmetrisk fast elektrolyt, som samtidigt kan uppfylla kraven på en dendritfri litiumanod och ett lågt gränssnittsmotstånd i solida batterier, " berättade Guo Phys.org .

Som forskarna förklarar, avvägningen i litiumbatterier uppstår eftersom litiumanoden och katoden har krav som i sig är motstridiga. Medan anoden kräver en stel elektrolyt för att blockera dendrittillväxt, det är svårt för en stel elektrolyt att hålla tillräcklig kontakt med den fasta katoden, vilket skapar ett mycket resistivt katod/elektrolytgränssnitt.

För att lösa detta problem, forskarna designade en asymmetrisk fast elektrolyt, där varje sida har en annan typ av yta. Den sida som vetter mot anoden är ett styvt keramiskt material som pressar mot litiumanoden för att motverka dendrittillväxt. Å andra sidan, sidan som vetter mot katoden är gjord av en mjuk polymer, vilket möjliggör en stark gränssnittsanslutning med katoden. Hela elektrolyten är också mycket tunn, på strax under 36 mikrometer.

I tester, forskarna jämförde batterier med den nya elektrolyten med de med en konventionell elektrolyt. Efter 1750 timmars cykling, de fann att batterierna med den konventionella elektrolyten uppvisade grova morfologier som tyder på dendritbildning, medan de med den nya elektrolyten inte visade några morfologiska förändringar ens efter 3200 timmars cykling, vilket indikerar att dendrittillväxt effektivt eliminerades.

Går framåt, forskarna förväntar sig att de dendritfria litiumbatterierna kommer att leda till energilagringssystem som kombinerar litiumbatteriers höga energi- och effekttätheter med förbättrad säkerhet och längre livslängder på grund av att dendrittillväxt elimineras.

"Vi planerar att designa påsceller med denna asymmetriska fasta elektrolyt för att uppnå en hög energitäthet i solida batterier, " sa Guo.

© 2018 Phys.org