Ny forskning av ingenjörer vid MIT och på andra håll kan leda till batterier som kan packa mer kraft per pund och hålla längre, baserat på det länge eftersträvade målet att använda ren litiummetall som en av batteriets två elektroder, anoden.

Det nya elektrodkonceptet kommer från laboratoriet hos Ju Li, Battelle Energy Alliance professor i kärnvetenskap och teknik och professor i materialvetenskap och teknik. Det beskrivs i journalen Natur , i en tidning medförfattare av Yuming Chen och Ziqiang Wang vid MIT, tillsammans med 11 andra på MIT och i Hong Kong, Florida, och Texas.

Designen är en del av ett koncept för att utveckla säkra helsolid-state-batterier, avstå från vätskan eller polymergelen som vanligtvis används som elektrolytmaterial mellan batteriets två elektroder. En elektrolyt tillåter litiumjoner att färdas fram och tillbaka under laddnings- och urladdningscyklerna för batteriet, och en helt fast version kan vara säkrare än flytande elektrolyter, som har hög volatilitet och har varit källan till explosioner i litiumbatterier.

"Det har varit mycket arbete med solid-state-batterier, med litiummetallelektroder och fasta elektrolyter, "Li säger, men dessa ansträngningar har mött ett antal frågor.

Ett av de största problemen är att när batteriet laddas upp, atomer ackumuleras inuti litiummetallen, får den att expandera. Metallen krymper sedan igen under urladdning, när batteriet används. Dessa upprepade förändringar i metallens dimensioner, ungefär som processen med inandning och utandning, göra det svårt för de fasta ämnena att hålla konstant kontakt, och tenderar att få den fasta elektrolyten att spricka eller lossna.

Ett annat problem är att ingen av de föreslagna fasta elektrolyterna är riktigt kemiskt stabila när de kommer i kontakt med den mycket reaktiva litiummetallen, och de tenderar att försämras med tiden.

De flesta försök att övervinna dessa problem har fokuserat på att designa fasta elektrolytmaterial som är absolut stabila mot litiummetall, vilket visar sig vara svårt. Istället, Li och hans team antog en ovanlig design som använder ytterligare två klasser av fasta ämnen, "blandade joniska-elektroniska ledare" (MIEC) och "elektron- och li-jonisolatorer" (ELI), som är absolut kemiskt stabila i kontakt med litiummetall.

Forskarna utvecklade en tredimensionell nanoarkitektur i form av en bikakeliknande uppsättning sexkantiga MIEC-rör, delvis infunderad med den fasta litiummetallen för att bilda en elektrod på batteriet, men med extra utrymme kvar inuti varje rör. När litiumet expanderar under laddningsprocessen, det rinner in i det tomma utrymmet i det inre av rören, rör sig som en vätska trots att den behåller sin fasta kristallina struktur. Detta flöde, helt instängd i bikakestrukturen, lindrar trycket från expansionen som orsakas av laddning, men utan att ändra elektrodens yttermått eller gränsen mellan elektrod och elektrolyt. Det andra materialet, ELI, fungerar som ett avgörande mekaniskt bindemedel mellan MIEC-väggarna och det fasta elektrolytskiktet.

"Vi designade den här strukturen som ger oss tredimensionella elektroder, som en honungskaka, " säger Li. De tomma utrymmena i varje rör i strukturen gör att litiumet "kryper bakåt" in i rören, "och på det sättet, det bygger inte upp stress för att spricka den fasta elektrolyten." Det expanderande och sammandragande litiumet inuti dessa rör rör sig in och ut, ungefär som en bilmotors kolvar inuti sina cylindrar. Eftersom dessa strukturer är byggda i nanoskala dimensioner (rören är cirka 100 till 300 nanometer i diameter, och tiotals mikron på höjden), resultatet är som "en motor med 10 miljarder kolvar, med litiummetall som arbetsvätska, " säger Li.

Eftersom väggarna i dessa bikakeliknande strukturer är gjorda av kemiskt stabilt MIEC, litium förlorar aldrig elektrisk kontakt med materialet, säger Li. Således, hela det solida batteriet kan förbli mekaniskt och kemiskt stabilt när det går igenom sina användningscykler. Teamet har bevisat konceptet experimentellt, sätta en testanordning genom 100 cykler av laddning och urladdning utan att producera några sprickor av de fasta ämnena.

Li säger att även om många andra grupper arbetar med vad de kallar fasta batterier, de flesta av dessa system fungerar faktiskt bättre med någon flytande elektrolyt blandad med det fasta elektrolytmaterialet. "Men i vårt fall, " han säger, "det är verkligen helt fast. Det finns ingen vätska eller gel i det av något slag."

Det nya systemet kan leda till säkra anoder som bara väger en fjärdedel så mycket som deras konventionella motsvarigheter i litiumjonbatterier, för samma lagringskapacitet. Om det kombineras med nya koncept för lätta versioner av den andra elektroden, katoden, detta arbete kan leda till avsevärda minskningar av den totala vikten av litiumjonbatterier. Till exempel, teamet hoppas att det kan leda till mobiltelefoner som kan laddas bara en gång var tredje dag, utan att göra telefonerna tyngre eller skrymmande.

Ett nytt koncept för en lättare katod beskrevs av ett annat team ledd av Li, i en tidning som publicerades förra månaden i tidskriften Naturenergi , medförfattare av MIT postdoc Zhi Zhu och doktorand Daiwei Yu. Materialet skulle minska användningen av nickel och kobolt, som är dyra och giftiga och används i dagens katoder. Den nya katoden förlitar sig inte bara på kapacitetsbidraget från dessa övergångsmetaller i battericykling. Istället, det skulle förlita sig mer på syreets redoxkapacitet, som är mycket lättare och rikligare. Men i denna process blir syrejonerna mer rörliga, vilket kan få dem att fly från katodpartiklarna. Forskarna använde en ytbehandling med hög temperatur med smält salt för att producera ett skyddande ytskikt på partiklar av mangan- och litiumrik metalloxid, så mängden syreförlust minskar drastiskt.

Även om ytskiktet är mycket tunt, bara 5 till 20 nanometer tjock på en 400 nanometer bred partikel, det ger ett bra skydd för det underliggande materialet. "Det är nästan som immunisering, "Li säger, mot de destruktiva effekterna av syreförlust i batterier som används vid rumstemperatur. De nuvarande versionerna ger minst 50 procent förbättring av mängden energi som kan lagras för en given vikt, med mycket bättre cykelstabilitet.

Teamet har bara byggt små enheter i labbskala hittills, men "Jag förväntar mig att det här kan skalas upp väldigt snabbt, " säger Li. Materialet som behövs, mestadels mangan, är betydligt billigare än nickel eller kobolt som används av andra system, så dessa katoder kan kosta så lite som en femtedel så mycket som de konventionella versionerna.