Litiumjonbatterier är ökända för att utveckla interna elektriska kortslutningar som kan antända ett batteris flytande elektrolyter, leder till explosioner och bränder. Ingenjörer vid University of Illinois har utvecklat en solid polymerbaserad elektrolyt som kan självläka efter skada - och materialet kan också återvinnas utan användning av starka kemikalier eller höga temperaturer.

Den nya studien, som kan hjälpa tillverkare att producera återvinningsbart, självläkande kommersiella batterier, publiceras i Journal of the American Chemical Society .

Eftersom litiumjonbatterier går igenom flera cykler av laddning och urladdning, de utvecklas små, grenliknande strukturer av fast litium som kallas dendriter, sa forskarna. Dessa strukturer minskar batteritiden, orsaka hotspots och elektriska kortslutningar, och ibland växer sig tillräckligt stora för att punktera de inre delarna av batteriet, orsaka explosiva kemiska reaktioner mellan elektroderna och elektrolytvätskor.

Det har varit en push från kemister och ingenjörer för att ersätta de flytande elektrolyterna i litiumjonbatterier med fasta material som keramik eller polymerer, sa forskarna. Dock, många av dessa material är styva och spröda vilket resulterar i dålig elektrolyt-till-elektrod-kontakt och minskad konduktivitet.

"Fast jonledande polymerer är ett alternativ för att utveckla icke-flytande elektrolyter, sa Brian Jing, en materialvetenskap och ingenjörsstudent och studiemedförfattare. "Men de höga temperaturförhållandena inuti ett batteri kan smälta de flesta polymerer, igen vilket resulterar i dendriter och misslyckande."

Tidigare studier har producerat fasta elektrolyter genom att använda ett nätverk av polymersträngar som är tvärbundna för att bilda en gummiartad litiumledare. Denna metod fördröjer tillväxten av dendriter; dock, dessa material är komplexa och kan inte återvinnas eller läkas efter skada, sa Jing.

För att lösa detta problem, forskarna utvecklade en nätverkspolymerelektrolyt där tvärbindningspunkten kan genomgå utbytesreaktioner och byta polymersträngar. I motsats till linjära polymerer, dessa nätverk blir faktiskt styvare vid uppvärmning, som potentiellt kan minimera dendritproblemet, sa forskarna. Dessutom, de kan lätt brytas ner och åter stelnas till en nätverksstruktur efter skada, göra dem återvinningsbara, och de återställer konduktiviteten efter att ha blivit skadade eftersom de är självläkande.

"Denna nya nätverkspolymer visar också den anmärkningsvärda egenskapen att både konduktivitet och styvhet ökar med uppvärmning, som inte ses i konventionella polymerelektrolyter, " sa Jing.

"De flesta polymerer kräver starka syror och höga temperaturer för att bryta ner, " sa materialvetenskap och ingenjörsprofessor och huvudförfattare Christopher Evans. "Vårt material löses i vatten vid rumstemperatur, vilket gör det till en mycket energieffektiv och miljövänlig process."

Teamet undersökte ledningsförmågan hos det nya materialet och fann att dess potential som en effektiv batterielektrolyt var lovande, forskarna sa, men erkänn att det krävs mer arbete innan det kan användas i batterier som är jämförbara med vad som används idag.

"Jag tror att det här arbetet utgör en intressant plattform för andra att testa, " sa Evans. "Vi använde en mycket specifik kemi och en mycket specifik dynamisk bindning i vår polymer, men vi tror att den här plattformen kan omkonfigureras för att användas med många andra kemier för att justera konduktiviteten och de mekaniska egenskaperna."