Uppladdningsbara litiumjonbatterier (Li-ion) är en revolutionerande teknik, finns i allt från mobiltelefoner till bilar. Deras allestädes närvarande och roll i att bryta beroendet av fossila bränslen gav en trio forskare årets Nobelpris i kemi.

Men även när Li-ion-batteritekniken uppmärksammas med ett av vetenskapens främsta priser, kemin bakom dem står inför en hotande utmaning. Litiumjonbatterier kan inte laddas på obestämd tid; materialen i dessa batteriers elektroder expanderar och spricker med varje cykel, gradvis minska deras lagringsprestanda tills de är värdelösa. Den resulterande efterfrågan på färskt litium, kobolt och andra nödvändiga beståndsdelar sätter en belastning på naturresurserna.

Med denna utmaning i åtanke, Penn Engineers vill designa laddningsbara batterielektroder som kan fungera effektivt med andra metalljoner än litium. Magnesiumjonbatterier är ett lovande alternativ, men material som kan reversibelt lagra magnesium har hittills varit ännu mer mottagliga för sprickbildning och andra problem än deras Li-ion-kusiner.

Penn-forskarna har nu hittat en lösning genom att inkorporera gallium, en metall som har en smältpunkt några grader högre än rumstemperatur, in i anoden på ett magnesiumjonbatteri. Genom att smälta och stelna med varje laddnings- och urladdningscykel, dessa anoder kan "läka" sprickbildningen och efterföljande expansion som normalt försämrar laddningsbart batterilagring.

Deras experiment visar att denna nya anod avsevärt förlänger livslängden för magnesiumjonbatterier, och gör det utan behov av dyra nanoskala material. Dessa egenskaper kan göra magnesiumjonbatterier till en bra passform för storskaliga applikationer, ta bort trycket på litiumresurser.

Forskarna visade sin galliumbaserade anod i en studie publicerad i Avancerade energimaterial .

Studien leddes av Eric Detsi, Stephenson termin biträdande professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik, tillsammans med Lin Wang och Samuel Welborn, doktorander i sitt labb. De samarbetade med Vivek Shenoy, Eduardo D. Glandt Presidents framstående professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik.

"För de flesta elfordon, batteriets vikt representerar ungefär en femtedel av fordonets totala vikt. Att enbart förlita sig på litiumjonbatterier för att driva dessa fordon runt om i världen kommer att belasta litium- och koboltresurserna som används i batterierna avsevärt, "Säger Detsi." De blir redan dyrare på grund av efterfrågan, och den globala koboltmarknaden är starkt beroende av leveranser från länder med höga geopolitiska risker."

"Det är uppenbart att alternativ batteriteknik behövs, " säger han. "Inte för att ersätta litium, men för att stödja litium."

Laddning och urladdning av ett batteri innebär kemiska reaktioner som gör att joner kan röra sig från en elektrod av batteriet till den andra, få eller släppa ut elektroner i processen. Dock, alla med en åldrande mobiltelefon eller bärbar dator vet att dessa batterier förlorar sin förmåga att hålla en laddning med tiden. En av huvudorsakerna till att dessa batterier misslyckas är att laddnings- och urladdningscykeln innebär en fysisk omvandling av materialen i elektroderna. När joner införlivas i elektroden, dessa material expanderar, och när jonerna frigörs från elektroden, materialen spricker. Denna process fortsätter tills materialen går sönder och fysiskt tappar elektrisk kontakt med elektroderna, vilket gör batteriet oanvändbart.

"Volymförändringen som sker i de flesta elektrodmaterial på grund av inkorporering och frigöring av joner leder till sprickbildning och pulverisering. Det är en av de saker som dödar ett batteri, "säger Wang." Denna pulverisering är associerad med den stressuppbyggnad som kommer med en solid-solid fasomvandling. "

"I vårt nya arbete, dock, "Welborn säger, "Istället för en omvandling från en typ av fast material till en annan, det ursprungliga fasta materialet omvandlas till en vätska. Detta hämmar sprickbildningen och pulveriseringen eftersom spänningarna i samband med den normala fasta-fasta transformationen inte längre är närvarande. "

Vid rumstemperatur, rent gallium är en formbar, silverfärgad metall som lätt kan förväxlas med aluminium eller nickel. Håller några i handen, dock, avslöjar snabbt en unik egenskap:med en smältpunkt på 85 grader Fahrenheit, kroppstemperaturen räcker för att förvandla en fast bit gallium till en kvicksilverliknande vätska.

I forskarnas nya studie, galliumet börjar i fast form eftersom det är legerat med magnesium i mikronstora partiklar.

"För att elektroniskt ansluta dessa små bitar, "Wang säger, "vi placerar dem i ett ledande nätverk av kolfibrer, kimrök och grafen som alla är sammanbundna med ett bindemedel."

När magnesiumjonerna separeras från galliumet, det omvandlas till flytande tillstånd eftersom batteriet arbetar vid temperaturer något över galliums smältpunkt.

"Eftersom det är samlat i detta nätverk av annat material, "Welborn säger, "när gallium går från fast till flytande, den rör sig inte som du kan förvänta dig att en vätska ska göra."

Genom att använda röntgenstrålar för att undersöka kristallstrukturen för materialen inuti batteriet, forskarna visade att när batteriet laddas, joner återgår till anoden och återbildar fasta gallium-magnesiumpartiklar.

Kritiskt, eftersom dessa partiklar rekonstitueras med varje cykel, de upplever inte den typ av sprickbildning som så småningom försämrar andra batterier.

Forskarnas experimentella batteri klarade mer än tusen laddningscykler, ungefär fem gånger mer än det nuvarande toppmoderna magnesiumjonbatteriet.

"De tusen cykler som visas i detta arbete representerar en betydande förbättring, "Detsi säger, "men vår dröm är att dra fördel av detta unika självläkande beteende för att designa ett batteri som kan laddas och laddas ur för alltid."

Gränsen för det nya batteriets tusencykellivslängd beror inte på elektroden, utan snarare elektrolyten, det flytande mediet som flyttar joner från en elektrod till en annan. Tidigare forskning från Detsis grupp har visat vilken roll elektrolyten spelar för att långsamt bryta ned batterielektroderna, och framtida arbete kommer att fokusera på hur man kan förbättra den processen.

Lyckligtvis, som med designen av studiens självläkande elektroder, att arbeta med denna aspekt av batteridesign involverar smarta tillämpningar av kemi, snarare än kostnadskrävande nanotekniktekniker medför andra försök att förlänga batteritiden.

"För att åtgärda problemen med litiumjonbatterier, batterigemenskapen använder vanligtvis nanomaterial, " säger Detsi. "Men, syntesen av nanomaterial kan vara komplex, vilket innebär att det kan vara mycket dyrt att göra massor av nanomaterial i industriell skala för batteritillämpningar. En anmärkningsvärd sak med vår design är att det inte finns något behov av att använda nanomaterial, vilket gör denna klass av batterier mycket attraktiva för storskaliga applikationer."