Forskare från Carnegie Mellon Universitys Mellon College of Science och College of Engineering har utvecklat en halvflytande litiummetallbaserad anod som representerar ett nytt paradigm inom batteridesign. Litiumbatterier tillverkade med denna nya elektrodtyp kan ha en högre kapacitet och vara mycket säkrare än typiska litiummetallbaserade batterier som använder litiumfolie som anod.

Det tvärvetenskapliga forskarteamet publicerade sina resultat i det aktuella numret av Joule .

Litiumbaserade batterier är en av de vanligaste typerna av uppladdningsbara batterier som används i modern elektronik på grund av deras förmåga att lagra stora mängder energi. Traditionellt, dessa batterier är gjorda av brännbara flytande elektrolyter och två elektroder, en anod och en katod, som är åtskilda av ett membran. Efter att ett batteri har laddats och laddats ur upprepade gånger, strängar av litium som kallas dendriter kan växa på ytan av elektroden. Dendriterna kan tränga igenom membranet som skiljer de två elektroderna åt. Detta möjliggör kontakt mellan anoden och katoden, vilket kan orsaka att batteriet kortsluts och, i värsta fall, fatta eld.

"Att införliva en metallisk litiumanod i litiumjonbatterier har den teoretiska potentialen att skapa ett batteri med mycket mer kapacitet än ett batteri med en grafitanod, sade Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University professor i naturvetenskap vid Carnegie Mellons avdelning för kemi. "Men, det viktigaste vi behöver göra är att se till att batteriet vi skapar är säkert."

En föreslagen lösning på de flyktiga flytande elektrolyterna som används i nuvarande batterier är att ersätta dem med fasta keramiska elektrolyter. Dessa elektrolyter är mycket ledande, icke brännbar och stark nog att motstå dendriter. Dock, forskare har funnit att kontakten mellan den keramiska elektrolyten och en solid litiumanod är otillräcklig för att lagra och leverera den mängd ström som behövs för de flesta elektronik.

Sipei Li, en doktorand vid Carnegie Mellons avdelning för kemi, och Han Wang, en doktorand vid Carnegie Mellons institution för materialvetenskap och teknik, kunde övervinna denna brist genom att skapa en ny klass av material som kan användas som en halvflytande metallanod.

Arbetar med Mellon College of Sciences Matyjaszewski, ledande inom polymerkemi och materialvetenskap, och Jay Whitacre, Trustee professor i energi vid College of Engineering och chef för Wilton E. Scott Institute for Energy Innovation vid Carnegie Mellon, som är känd för sitt arbete med att utveckla ny teknik för energilagring och energigenerering, Li och Wang skapade en dubbelledande polymer/kolkompositmatris som har litiummikropartiklar jämnt fördelade överallt. Matrisen förblir flytbar vid rumstemperatur, vilket gör att den kan skapa en tillräcklig nivå av kontakt med den fasta elektrolyten. Genom att kombinera den halvflytande metallanoden med en granatbaserad fast keramisk elektrolyt, de kunde cykla cellen med 10 gånger högre strömtäthet än celler med en fast elektrolyt och en traditionell litiumfolieanod. Denna cell hade också en mycket längre cykellivslängd än traditionella celler.

"Denna nya processväg leder till en litiummetallbaserad batterianod som är flytbar och har mycket tilltalande säkerhet och prestanda jämfört med vanlig litiummetall. Implementering av nytt material som detta kan leda till en stegvis förändring i litiumbaserade uppladdningsbara batterier, och vi arbetar hårt för att se hur detta fungerar i en rad batteriarkitekturer, sa Whitacre.

Forskarna tror att deras metod kan få långtgående effekter. Till exempel, det skulle kunna användas för att skapa högkapacitetsbatterier för elfordon och specialiserade batterier för användning i bärbara enheter som kräver flexibla batterier. De tror också att deras metoder kan utvidgas bortom litium till andra uppladdningsbara batterisystem, inklusive natriummetallbatterier och kaliummetallbatterier och kanske kan användas i nätskala energilagring.