Förbättringar av en klass av batterielektrolyt som först introducerades 2017-flytande gaselektrolyter-kan bana väg för ett kraftfullt och eftersökt framsteg för laddningsbara batterier:att ersätta grafitanoden med en litiummetallanod.

Forskningen, publicerad 1 juli, 2019 av tidningen Joule , bygger på innovationer som först rapporterades i Vetenskap år 2017 av samma forskargrupp vid University of California San Diego och universitetets spinout South 8 Technologies.

Att hitta kostnadseffektiva sätt att ersätta grafitanoden i kommersiella litiumjonbatterier är av stort intresse eftersom det kan leda till lättare batterier som kan lagra mer laddning, via en 50 procents ökning av energitäthet på cellnivå. Den ökade energitätheten kommer från en kombination av faktorer inklusive litiummetallanodens höga specifika kapacitet, låg elektrokemisk potential, och låg vikt (låg densitet).

Som ett resultat, byte till litiummetallanoder skulle betydligt utöka sortimentet av elfordon och sänka kostnaden för batterier som används för nätlagring, förklarade UC San Diego nanoengineering professor Shirley Meng, en motsvarande författare på det nya papperet i Joule .

Dock, att göra växeln kommer med tekniska utmaningar. Det främsta hindret är att litiummetallanoder inte är kompatibla med konventionella elektrolyter. Två långvariga problem uppstår när dessa anoder paras med konventionella elektrolyter:låg cykeleffektivitet och dendrittillväxt.

Så Meng och kollegors tillvägagångssätt var att byta till en mer kompatibel elektrolyt, kallas flytande gaselektrolyter.

Flytande gaselektrolyter i aktion

En av de lockande aspekterna av dessa flytande gaselektrolyter är att de fungerar både vid rumstemperatur och vid extremt låga temperaturer, ner till minus 60 C. Dessa elektrolyter är gjorda av lösningsmedel för flytande gas - gaser som flytande under måttligt tryck - som är mycket mer motståndskraftiga mot frysning än vanliga flytande elektrolyter.

I 2019 års tidning i Joule , forskarna rapporterar om hur, genom både experimentella och beräkningsstudier, de förbättrar sin förståelse för några av bristerna i den flytande gaselektrolytkemin. Med denna kunskap, de kunde skräddarsy sina flytande gaselektrolyter för förbättrad prestanda i viktiga mätvärden för litiummetallanoder, både vid rumstemperatur och minus 60 C.

I litiummetallhalvcellstester, laget rapporterar att anodens cykeleffektivitet (Coulombic efficiency) var 99,6 procent för 500 laddningscykler vid rumstemperatur. Detta är en ökning från 97,5 procent cykeleffektivitet som rapporterades 2017 Vetenskap papper, och en 85 procent cykeleffektivitet för litiummetallanoder med en konventionell (flytande) elektrolyt.

Vid minus 60 C, laget visade litiummetallanodcykeleffektivitet på 98,4 procent. I kontrast, de flesta konventionella elektrolyter fungerar inte under minus 20 C.

UC San Diego -teamets simulerings- och karakteriseringsverktyg, många utvecklade i laboratoriet för energilagring och konvertering under ledning av Shirley Meng, låta forskarna förklara varför litiummetallanoder fungerar bättre med flytande gaselektrolyter. Åtminstone en del av svaret har att göra med hur litiumpartiklarna avsätts på metallanodytan.

Forskarna rapporterar den smidiga och kompakta avsättningen av litiumpartiklar på litiummetallanoder när elektrolyter med flytande gas används. I kontrast, när konventionella elektrolyter används, nålliknande dendriter bildas på litiummetallanoden. Dessa dendriter kan försämra effektiviteten, orsaka kortslutning, och leda till allvarliga säkerhetshot.

Ett mått på hur tätt litiumpartiklar avsätts på anodytor är porositet. Ju lägre porositet desto bättre. Forskargruppen rapporterar in Joule att porositeten för litiumpartikelavsättning på en metallanod är 0,90 procent vid rumstemperatur med användning av flytande gaselektrolyter vid rumstemperatur. Porositeten i närvaro av konventionella elektrolyter hoppar till 16,8 procent.

Loppet om rätt elektrolyt

Det är för närvarande ett stort tryck för att hitta eller förbättra elektrolyter som är kompatibla med litiummetallanoden och är konkurrenskraftiga vad gäller kostnad, säkerhet, och temperaturintervall. Forskargrupper har huvudsakligen tittat på högkoncentrerade lösningsmedel (flytande) eller elektrolyter i fast tillstånd, men det finns för närvarande ingen silverkula.

"Som en del av batteriforskningsgemenskapen, Jag är säker på att vi kommer att utveckla de elektrolyter som vi behöver för litiummetallanoder. Jag hoppas att denna forskning inspirerar fler forskargrupper att ta en seriös titt på flytande gaselektrolyter, "sa Meng.

Meng är också motsvarande författare till en relaterad artikel i maj 2019 -numret av Trender inom kemi "Nyckelfrågor i att hindra en praktisk litiummetallanod."