När vår kärlek till prylar växer, så gör kraven på batterier som håller längre. Men det är ett problem.

För att skapa ett längre batteri, det måste vara större, och större är inte bättre när det gäller mobiltelefoner eller elbilar - för att inte tala om pacemaker.

Litiumjonbatterier har redan ett rykte som är mindre än fantastiskt:tänk på exploderande mobiltelefoner eller bränder på flygplan. Utöver dessa befintliga problem, när forskare försöker krympa dessa batterier utan att äventyra prestandan, resultaten är ännu mer instabila och benägna att kortsluta; ingenjörer har inte kunnat röra sig förbi dessa frågor.

Forskare vid Washington University i St. Louis har nya insikter om orsaken - eller orsakerna - till dessa frågor, banar väg för mindre, säkrare, mer energitäta batterier. Resultatet av deras arbete har nyligen publicerats online i tidningen Joule .

Peng Bai, biträdande professor vid Tekniska högskolan, har identifierat tre viktiga strömgränser när det gäller dessa energitäta litiummetallbatterier. Det visar sig, ingenjörer hade letat efter en lösning på det som visar sig vara tre problem.

Ett litiumjonbatteri består av tre lager:ett lager av lågspänningsmaterial (grafit) som kallas anoden; ett av högspänningsmaterial (litiumkoboltoxid) kallat katoden; och ett lager av porös plast som separerar de två.

Separatorn fuktas av en vätska som kallas en elektrolyt. När batteriet laddas ur, litiumjoner töms ur anoden, passerar genom den flytande elektrolyten, och flytta in i katoden. Processen är omvänd när batteriet laddas.

"Med hälften av litiumjonvärdelektrodmaterialen tomma hela tiden, "Sa Bai, "du slösar bort hälften av ditt utrymme."

Ingenjörer har vetat att de skulle kunna bygga ett mer energitätt batteri (ett mindre batteri med liknande uteffekt) genom att kasta bort en del av den vikt som följer med att hälften av värdmaterialen alltid är tomma. De har varit minimalt framgångsrika genom att ta bort grafitanoden, reducera sedan litiumjonerna med elektroner under laddning, en process som bildar en tunn plätering av litiummetall.

"Problemet är att litiummetallplätering inte är enhetlig, "Sa Bai." Det kan växa "fingrar". "

Forskare har hänvisat till dessa fingrar som "dendriter". När de sprider sig från litiummetallplätering, de kan tränga in i avskiljaren i batteriet, leder till en kortslutning.

Men alla "fingrar" är inte desamma. "Om du kallar dem alla dendriter, du letar efter en lösning för att faktiskt lösa tre problem, vilket är omöjligt, "Sa Bai." Det är därför som problemet efter så många år aldrig har lösts. "

Hans team har identifierat tre olika typer av fingrar, eller tillväxtlägen, i dessa litiummetallanoder. De beskriver också vid vilken ström varje tillväxtläge visas.

"Om du använder mycket hög ström, det bygger på spetsen för att producera en trädliknande struktur, "Sa Bai. Det är" sanna dendriter "(se figur A).

Under den nedre gränsen har du morrhår som växer från roten (se figur B).

Och inom dessa två gränser finns den dynamiska övergången från morrhår till dendriter, som Bai kallar "yttillväxt" (se figur C).

Dessa tillväxter är alla relaterade till de konkurrerande reaktionerna i regionen mellan den flytande elektrolyten och metallavlagringarna.

Studien fann att en nanoporös keramisk separator kan blockera morrhår upp till en viss strömtäthet, varefter yttillväxter långsamt kan tränga in i separatorn. Med en tillräckligt stark ström, "sanna dendriter" -form, som enkelt och mycket snabbt kan tränga in i avskiljaren för att kortsluta batteriet.

Vid denna tidpunkt, Bai sa, "vår unika transparenta cell avslöjade att batterispänningen kunde se ganska normal ut, även om separatorn har penetrerats av ett litiummetallfilament. Utan att se vad som händer inuti, du kan lätt luras av den till synes rimliga spänningen, men, verkligen, ditt batteri har redan gått sönder. "

För att bygga ett kassaskåp, effektiv, pålitligt batteri med litiummetallanod, de tre tillväxtlägena måste styras med tre olika metoder.

Detta kommer att bli en utmaning med tanke på att konsumenterna vill ha batterier som kan lagra mer energi, och vill samtidigt att de debiteras snabbare. Kombinationen av dessa två ger oundvikligen en högre och högre laddningsström, som kan överstiga en av de kritiska strömmar som identifierats av Bais team.

Och, batterier kan försämras. När de gör det, de kritiska strömmar som identifierats för det nya batteriet gäller inte längre; tröskeln blir lägre. Vid det tillfället, med samma snabbladdningsström, det finns en större sannolikhet att batteriet blir kort.

"Batteridriften är mycket dynamisk, i ett mycket brett spektrum av strömmar. Ändå varierar dess inställning dramatiskt längs cykellivet "sa Bai." Det är därför detta blir nödvändigt. "