Uppladdningsbara litiummetallbatterier med ökad energitäthet, prestanda, och säkerhet kan vara möjlig med en nyutvecklad, fast elektrolytinterfas (SEI), enligt forskare från Penn State.

När efterfrågan på litiummetallbatterier med högre energitäthet ökar-för elfordon, smartphones, och drönare - stabiliteten hos SEI har varit en kritisk fråga för att stoppa deras framsteg eftersom ett saltskikt på ytan av batteriets litiumelektrod isolerar det och leder litiumjoner.

"Detta lager är mycket viktigt och bildas naturligt av reaktionen mellan litium och elektrolyt i batteriet, "sa Donghai Wang, professor i maskin- och kemiteknik. "Men det beter sig inte särskilt bra, vilket orsakar många problem. "

En av de minst förstådda komponenterna i litiummetallbatterier, nedbrytningen av SEI bidrar till utvecklingen av dendriter, som är nålliknande formationer som växer från litiumelektroden i batteriet och påverkar prestanda och säkerhet negativt. Forskarna publicerade sin inställning till detta problem idag (11 mars) i Naturmaterial .

"Det är därför litiummetallbatterier inte håller längre - gränssnittet växer och det är inte stabilt, "Sa Wang." I det här projektet, vi använde en polymerkomposit för att skapa ett mycket bättre SEI. "

Leds av kemidoktoranden Yue Gao, det förbättrade SEI är en reaktiv polymerkomposit bestående av polymert litiumsalt, litiumfluorid -nanopartiklar, och grafenoxidark. Den nya konstruktionen av denna batterikomponent har tunna lager av dessa material, det är där Thomas E. Mallouk, Evan Pugh universitetsprofessor i kemi, lånat ut sin expertis.

"Det finns mycket kontroll på molekylär nivå som behövs för att uppnå ett stabilt litiumgränssnitt, "Mallouk sa." Polymeren som Yue och Donghai designade reagerar för att göra en klo-liknande bindning till litiummetallytan. Det ger litiumytan vad det vill på ett passivt sätt så att det inte reagerar med molekylerna i elektrolyten. Nanoskikten i kompositen fungerar som en mekanisk barriär för att förhindra att dendriter bildas från litiummetallen. "

Med både kemi och teknisk design, samarbetet mellan fälten gjorde det möjligt för tekniken att styra litiumytan i atomskala.

"När vi konstruerar batterier, vi tänker inte nödvändigtvis som kemister, ända ner till molekylär nivå, men det var vad vi behövde göra här, sa Mallouk.

Den reaktiva polymeren minskar också vikten och tillverkningskostnaden, ytterligare stärka litiummetallbatteriernas framtid.

"Med ett mer stabilt SEI, det är möjligt att fördubbla energitätheten för nuvarande batterier, samtidigt som de håller längre och är säkrare, "Sa Wang.