När förnybar energi växer som en kraftkälla runt om i världen, en nyckelkomponent undviker fortfarande branschen:storskalig, stabil, effektiva och prisvärda batterier.

Litiumjonbatterier har visat sig vara framgångsrika för hemelektronik, men elfordon, vindkraftverk eller smarta elnät kräver batterier med mycket större energikapacitet. En ledande utmanare är litium-metallbatteriet, som skiljer sig från litiumjonteknik genom att den innehåller litiummetallelektroder.

Tänkte först 1912, litium-metallbatterier har potential för enorma mängder energilagring till en låg kostnad, men de lider av ett fatalt fel:dendriter - vassa nålar gjorda av klumpar av litiumatomer som kan få batterier att värmas upp och ibland kortsluta och fatta eld.

Dock, löftet om tekniken har fått forskare och företag att arbeta på sätt att övervinna detta problem.

"Litium-metallbatterier är i grunden drömbatterierna eftersom de ger en extremt hög energitäthet, " sa Reza Shahbazian-Yassar, docent i maskin- och industriteknik vid University of Illinois i Chicago (UIC). "Dock, vi har inte kunnat bygga kommersiellt gångbara litiummetallbatterier med organiska flytande elektrolyter på grund av heterogen litiummetallplätering som leder till dendriter under långvarig battericykel."

Nyligen, team av forskare, inklusive Shahbazian-Yassar vid UIC och Perla Balbuena vid Texas A&M University, har kommit närmare att hitta en lösning, delvis genom att använda superdatorernas kraft för att förstå kärnkemin och fysiken som fungerar i dendritbildning och att konstruera nya material som kan mildra dendrittillväxt.

Skriver in Avancerade funktionella material i februari 2018, forskarna presenterade resultaten av studier av ett nytt material som kan lösa det långvariga dendritproblemet.

"Tanken var att utveckla ett beläggningsmaterial som kan skydda litiummetallen och göra jonavsättningen mycket jämnare, sa Balbuena, professor i kemiteknik vid Texas A&M och medförfattare på uppsatsen.

Undersökningarna förlitade sig på superdatorerna Stampede och Lonestar vid Texas Advanced Computing Center (TACC) – bland de mest kraftfulla i världen.

ION PACHINKO

I tidningen, forskarna beskrev ett nanoark av grafenoxid som kan sprayas på en glasfiberseparator som sedan sätts in i batteriet. Materialet tillåter litiumjoner att passera genom det, men saktar ner och styr hur jonerna kombineras med elektroner från ytan för att bli neutrala atomer. Istället för att bilda nålar, de avsatta atomerna bildar släta, plana ytor längst ner på arket.

Forskarna använde datormodeller och simuleringar tillsammans med fysiska experiment och mikroskopisk avbildning för att avslöja hur och varför materialet effektivt kontrollerar litiumavsättning. De visade att litiumjonerna bildar en tunn film på ytan av grafenoxiden och diffunderar sedan genom defekta platser - huvudsakligen luckor i materialets lager - innan de sätter sig under grafenoxidens bottenskikt. Materialet fungerar som pinnarna i ett pachinko-spel, sakta ner och styra metallkulorna när de faller.

"Vårt bidrag var att genomföra molekylära dynamiksimuleringar där vi följer elektronernas och atomernas bana i tid och observerar vad som händer på atomistisk nivå, " sa Balbuena. "Vi var intresserade av att klargöra hur litiumjonerna diffunderade genom systemet och blev atomer när avsättningen slutar i litiumplätering."

De grafenoxiddopade batterierna visar en förbättrad cykellivslängd och uppvisar stabilitet upp till 160 cykler, medan ett omodifierat batteri snabbt förlorar sin effektivitet efter 120 cykler. Oxiden kan appliceras enkelt och prisvärt med en sprutpistol.

Hur sprayen läggs på nanoarken var ett annat fokus för forskningen. "När du gör experimentet, det är inte klart på mikroskopisk nivå var beläggningen kommer att sitta, " sa Balbuena. "Den är väldigt tunn, så att lokalisera dessa beläggningar med precision är inte trivialt."

Deras datormodell undersökte om det skulle vara mer fördelaktigt om oxiden var orienterad parallellt eller vinkelrätt mot strömavtagaren. Båda kan vara effektiva, de hittade, men om de deponeras parallellt, materialet kräver ett visst antal defekter så att joner kan glida igenom.

"Simuleringarna gav våra medarbetare idéer om mekanismen för jonöverföring genom beläggningen, " Balbuena sa. "Det är möjligt att några av de framtida riktningarna kan involvera olika tjocklek eller kemisk sammansättning baserat på fenomenet som vi observerade."

UTFORSKA ALTERNATIVA KATODMATERIAL

I separat forskning, publiceras i ChemSusChem i februari 2018, Balbuena och doktorand Saul Perez Beltran beskrev en batteridesign som använder grafenark för att förbättra prestandan hos kol-svavelkatoder för litium-svavelbatterier, ytterligare ett potentiellt lagringssystem med hög kapacitet.

Förutom svavlets naturliga överflöd, icke-toxicitet och låg kostnad, en svavelbaserad katod är teoretiskt kapabel att ge lagring upp till 10 gånger större än de vanligen använda litium-koboltoxidkatoderna i konventionella litiumjonbatterier.

Dock, kemiska reaktioner i batteriet leder till bildandet av litiumpolysulfider, kemiska föreningar som innehåller kedjor av svavelatomer. Långkedjiga polysulfider är lösliga i den flytande elektrolyten och migrerar till litiummetallanoden där de sönderdelas, en oönskad effekt. Å andra sidan, kortkedjiga polysulfider är olösliga och stannar kvar vid den svavelbaserade katoden. Forskarna undersökte hur katodmikrostrukturen kan påverka denna kemi.

De tog upp problemet med okontrollerad polysulfidbildning genom att skapa ett svavel/grafenkompositmaterial som undviker bildandet av de lösliga långkedjiga polysulfiderna. De fann att grafenarken ger stabilitet till katoden och förbättrar dess jonfångningsförmåga.

Balbuenas forskning stöds av Department of Energy som en del av Battery Materials Research och Battery 500 Seedling-programmen, som båda syftar till att skapa mindre, säkrare, lättare och billigare batteripaket för att göra elfordon mer överkomliga.

Stampede och dess uppföljare Stampede2 stöds av anslag från National Science Foundation och låter tiotusentals forskare från hela landet utforska problem som vi annars inte kunde åtgärda.

"Detta är mycket omfattande beräkningar, det är därför vi behöver högpresterande datorer, ", sa Balbuena. "Vi är tunga användare av TACC-resurser och vi är mycket tacksamma mot University of Texas för att vi fick använda dessa faciliteter."

För Balbuena, superdatordriven grundforskning om nästa generations batterier är en perfekt syntes av hennes intressen.

"Forskningen är en kombination av kemi, fysik och teknik, allt aktiverat av datorer, detta teoretiska mikroskop som kan visualisera saker genom teori."