Hoppet har återställts för det uppladdningsbara litiummetallbatteriet – ett potentiellt batterikraftverk som i årtionden förvisats till laboratoriet genom sin korta förväntade livslängd och enstaka brinnande död medan dess uppladdningsbara syskon, litiumjonbatteriet, drar nu in mer än 30 miljarder dollar per år.

En ny beläggning kan göra lätta litiummetallbatterier säkra och hållbara, en välsignelse för utveckling av nästa generations elfordon. (Bildkredit:Shutterstock)

Ett team av forskare vid Stanford University och SLAC National Accelerator Laboratory har uppfunnit en beläggning som övervinner några av batteriets defekter, beskrivs i en tidning publicerad 26 augusti in Joule .

I laboratorietester, beläggningen förlängde batteriets livslängd avsevärt. Den hanterade också förbränningsfrågan genom att kraftigt begränsa de små nålliknande strukturerna - eller dendriterna - som tränger igenom separatorn mellan batteriets positiva och negativa sidor. Förutom att förstöra batteriet, dendriter kan skapa en kortslutning i batteriets brandfarliga vätska. Litiumjonbatterier har ibland samma problem, men dendriter har varit en icke-startare för uppladdningsbara litiummetallbatterier hittills.

"Vi tar upp den heliga gralen av litiummetallbatterier, sade Zhenan Bao, professor i kemiteknik, som är senior författare till tidningen tillsammans med Yi Cui, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och i fotonvetenskap vid SLAC. Bao tillade att dendriter hade förhindrat litiummetallbatterier från att användas i vad som kan bli nästa generations elfordon.

Löftet

Litiummetallbatterier kan hålla minst en tredjedel mer kraft per pund som litiumjonbatterier gör och är betydligt lättare eftersom de använder lättviktslitium för den positivt laddade änden snarare än tyngre grafit. Om de var mer pålitliga, dessa batterier kan vara till nytta för bärbar elektronik från bärbara datorer till mobiltelefoner, men den riktiga lönen, Cui sa, skulle vara för bilar. Den största dragkraften för elfordon är att deras batterier spenderar ungefär en fjärdedel av sin energi på att bära sig omkring. Det kommer till hjärtat av elbilens räckvidd och kostnad.

"Kapaciteten hos konventionella litiumjonbatterier har utvecklats nästan så långt det går, " sa Stanford doktorand David Mackanic, medförfattare till studien. "Så, det är avgörande att utveckla nya typer av batterier för att uppfylla de aggressiva kraven på energitäthet hos moderna elektroniska enheter."

Teamet från Stanford och SLAC testade sin beläggning på den positivt laddade änden – kallad anoden – av ett standardlitiummetallbatteri, vilket är där dendriter vanligtvis bildas. I sista hand, de kombinerade sina specialbelagda anoder med andra kommersiellt tillgängliga komponenter för att skapa ett fullt fungerande batteri. Efter 160 cykler, deras litiummetallceller levererade fortfarande 85 procent av den kraft som de gjorde under sin första cykel. Vanliga litiummetallceller levererar cirka 30 procent efter så många cykler, gör dem nästan oanvändbara även om de inte exploderar.

Den nya beläggningen förhindrar dendriter från att bildas genom att skapa ett nätverk av molekyler som levererar laddade litiumjoner till elektroden jämnt. Det förhindrar oönskade kemiska reaktioner som är typiska för dessa batterier och minskar också en kemisk ansamling på anoden, vilket snabbt förstör batteriets förmåga att leverera kraft.

"Vår nya beläggningsdesign gör litiummetallbatterier stabila och lovande för vidare utveckling, sa den andra huvudförfattaren, Stanford Ph.D. student Zhiao Yu.

Gruppen förfinar nu sin beläggningsdesign för att öka kapacitetsbevarandet och testar celler över fler cykler.

"Medan användning i elfordon kan vara det ultimata målet, sade Cui, "kommersialisering skulle troligen börja med hemelektronik för att demonstrera batteriets säkerhet först."