Ett lager av röd fosfor i laddningsbara litiummetallbatterier kan signalera när skadliga dendriter hotar att skapa en kortslutning. Tekniken som utvecklats vid Rice University kan leda till kraftfullare litiummetallbatterier. Kredit:Tour Group/Rice University
Rice University forskare har tagit nästa steg mot utbyggnaden av kraftfulla, uppladdningsbara litiummetallbatterier genom att göra dem säkrare och enklare att tillverka.
Rice-labbet av kemisten James Tour gjorde testceller med ett skikt av röd fosfor på separatorn som håller isär anod- och katodelektroderna. Fosforen fungerar som en spion för ledningssystem som används för att ladda och övervaka batterier genom att detektera bildandet av dendriter, utsprång av litium som kan få dem att misslyckas.
Litiummetallanoder laddas mycket snabbare och rymmer cirka 10 gånger mer energi i volym än vanliga litiumjonanoder som används i nästan alla elektroniska enheter på marknaden, inklusive mobiltelefoner och elbilar. Anoder är en av två elektroder som behövs för batteridrift.
Men laddning av litiuminfunderade anoder bildar dendriter som, om de når katoden, orsaka kortslutning och möjligen brand eller explosion. När en dendrit når en röd fosforbelagd separator, batteriets laddningsspänning ändras. Det talar om för batterihanteringssystemet att sluta ladda.
Till skillnad från andra föreslagna dendritdetektorer, Rice-strategin kräver inte en tredje elektrod.
"Att tillverka batterier med en tredje elektrod är mycket svårt, Tour sa. "Vi föreslår ett statiskt lager som ger en topp i spänningen medan batteriet laddas. Den spiken är en signal att stänga av den."
Forskningen dyker upp i Avancerade material .
Bilder av ett halvcells litiummetallbatteri visar dendriter som närmar sig en röd fosforseparator. Separatorn levererar en signal till batteriets elektronik att stängas av när dendriter hotar att skapa en kortslutning. Upptäckten av forskare vid Rice University kan hjälpa till att göra litiumbatterier säkrare. Kredit:Tour Group/Rice University
Det röda fosforlagret hade ingen signifikant effekt på normal prestanda i experiment på testbatterier av Tour-labbet.
Forskarna byggde en transparent testcell med en elektrolyt (det flytande eller gelliknande materialet mellan elektroderna och runt separatorn som gör att batteriet kan generera en ström) som är känd för att påskynda åldrandet av katoden och uppmuntra dendrittillväxt. Det lät dem övervaka spänningen medan de såg dendriter växa.
Med en vanlig separator, de såg dendriterna kontakta och penetrera separatorn utan spänningsförändring, en situation som skulle leda till att ett normalt batteri misslyckas. Men med det röda fosforlagret, de observerade ett kraftigt spänningsfall när dendriterna kom i kontakt med separatorn.
"Så fort en växande dendrit vidrör den röda fosforn, det ger en signal i laddningsspänningen, Tour sa. "När batterihanteringssystemet känner av det, det kan säga, 'Sluta ladda, använd inte."
Förra året, labbet introducerade kolnanorörsfilmer som helt tycks stoppa dendrittillväxt från litiummetallanoder.
"Genom att kombinera de två senaste framstegen, tillväxten av litiumdendriter kan mildras, och det finns en intern försäkring som innebär att batteriet stängs av i det osannolika fallet att även en enda dendrit börjar växa mot katoden, " sa Tour.
"Bokstavligen, när du gör ett nytt batteri, du tjänar över en miljard av dem, " sa han. "Kan ett par av dessa misslyckas? Det krävs bara några få bränder för att folk ska bli riktigt sura. Vårt arbete ger en ytterligare garanti för batterisäkerhet. Vi föreslår ytterligare ett skyddsskikt som borde vara enkelt att implementera."
