En forskargrupp från Florida State University och Cornell University fann att batterier byggda av billiga och säkra komponenter kan leverera tre till fyra gånger så mycket kraft som batterier byggda med dagens toppmoderna litiumjonteknologi.

Forskarnas arbete publiceras idag i Naturkommunikation .

A. Nijamudheen, en postdoktor vid FAMU-FSU College of Engineering, och Snehashis Choudhury, doktorand vid Cornell University, tillsammans med lärare vid båda institutionerna inledde en ambitiös utredning om vad som hindrar nuvarande batteridesign och hur man kan förbättra den.

"Om man tittar på kostnaden för batterier över tid, det är föga förvånande att se att vektorn konsekvent pekar uppåt, "Choudhury sa. "Brett antagande av teknik som kräver batterier kräver lägre kostnader."

Med hopp om att få ner dessa kostnader, forskare tacklade några specifika problem relaterade till elektrolyter, en kritisk del av ett batteris konstruktion som främjar rörelsen av joner från en elektrod till en annan.

Teamen försökte förstå de kemiska vägarna genom vilka elektrolyter bryts ned vid batterielektroderna. Forskarna identifierade inte bara mekanismerna för hur elektrolyterna bryts ned, de upptäckte också flera strategier för att lösa problemet.

"Vi upptäckte att kontroll av jonegenskaperna hos interfaserna som bildas vid den negativa elektroden är nyckeln, " sa Nijamudheen.

Med hjälp av kvantberäkningar, Nijamudheen och hans rådgivare, FAMU-FSU biträdande professor i kemiteknik Jose Mendoza-Cortes, fann att problemet beror på hur en komponent av elektrolyterna som kallas diglyme genomgår polymerisation. Polymerisation är en process där molekyler kombineras kemiskt för att producera en långkedjeliknande molekyl som kallas en polymer.

När det gäller batterier, elektrolyter går ofta sönder och omformas för att skapa mycket större molekyler efter långvarig kontakt med både de negativa och positiva elektroderna i ett batteri.

"Medan själva nedbrytningsprocessen är ofarlig, dess biprodukter blockerar joner från att komma åt batterielektroderna, som över tid minskar mängden lagrad energi än vad som kan återvinnas från ett batteri, sa Lynden Archer, en Cornell University professor och Choudhurys rådgivare.

Dock, medan vissa typer av polymerer som härrör från denna process skulle blockera joner från att nå elektroderna, andra har visat sig vara effektiva för att förlänga batteritiden.

Med sina polymerisationsberäkningar i hand, forskarna började undersöka andra typer av elektrolyter där polymerisationsprocessen inte skulle hindra batteriets prestanda.

Vanligtvis, litiumbatterier är gjorda med organiska karbonatelektrolyter, men dessa elektrolyter är mycket brandfarliga. En dyr infrastruktur för termisk reglering som ger kylning av överhettade battericeller är därför obligatorisk för att minska riskerna för termisk rusning och batteribränder.

Forskarna testade istället en litiumnitratelektrolyt, en stabil elektrolyt som inte var brandfarlig.

Genom att använda den elektrolyten, forskarna började köra experiment på solid electrolyte interphase eller SEI. SEI är ett skyddande skikt som bildas på den negativa elektroden som ett resultat av elektrolytnedbrytning, vanligtvis under ett batteris första cykel.

"När du har en bra SEI, du har ett bra batteri, sade Mendoza-Cortes, som också är biträdande professor vid Ingenjörshögskolan FAMU-FSU. "Tanken är att hitta en elektrolyt och lösningsmedel som kan bilda en SEI som kan vara stabil och spelar till din fördel."

Forskarna konstruerade en ny typ av SEI som bildas spontant i en battericell med hjälp av offersalt eller molekylära arter som introduceras via elektrolyterna. De introducerade också kedjeöverföringsmedel - en sträng av molekyler - som interagerade med diglymen för att bilda en sköld som skyddar den negativt laddade elektroden från nedbrytning.

För att utvärdera effektiviteten av designen, forskargruppen utförde en serie experiment på batteriets förmåga att användas och laddades sedan om. De fann att det kunde gå igenom cirka 2, 000 cykler, långt över de konventionella 300 till 500 laddningscyklerna som är förknippade med de flesta litiumjonbatterier.

"Med denna process, vi skulle kunna få en effektivitet som saknar motstycke för den här typen av system, Mendoza-Cortes sade. "Korten är att vi förbättrade SEI. Det skulle innebära mer kraft som varar längre. Det finns mycket potential där."