Forskare vid University of California San Diego utvecklade en ultraljudsemitterande enhet som tar med litiummetallbatterier, eller LMB, ett steg närmare kommersiell lönsamhet. Även om forskargruppen fokuserade på LMB, enheten kan användas i vilket batteri som helst, oavsett kemi.

Enheten som forskarna utvecklat är en integrerad del av batteriet och fungerar genom att avge ultraljudsvågor för att skapa en cirkulationsström i elektrolytvätskan som finns mellan anoden och katoden. Detta förhindrar bildandet av litiummetalltillväxt, kallas dendriter, under laddning som leder till minskad prestanda och kortslutning i LMB.

Enheten är tillverkad av smarttelefonkomponenter från hyllan, som genererar ljudvågor vid extremt höga frekvenser - från 100 miljoner till 10 miljarder hertz. I telefoner, dessa enheter används huvudsakligen för att filtrera den trådlösa mobilsignalen och identifiera och filtrera röstsamtal och data. Forskare använde dem istället för att generera ett flöde i batteriets elektrolyt.

"Framsteg inom smartphone -teknik är verkligen det som gjorde att vi kunde använda ultraljud för att förbättra batteritekniken, "sa James Friend, professor i maskin- och rymdteknik vid Jacobs School of Engineering vid UC San Diego och studiens motsvarande författare.

För närvarande, LMB har inte ansetts vara ett lönsamt alternativ för att driva allt från elfordon till elektronik eftersom deras livslängd är för kort. Men dessa batterier har också dubbelt så stor kapacitet som dagens bästa litiumjonbatterier. Till exempel, litiummetaldrivna elfordon skulle ha dubbelt så stor mängd som litiumjondrivna fordon, för samma batterivikt.

Forskare visade att ett litiummetallbatteri utrustat med enheten kan laddas och laddas ur i 250 cykler och ett litiumjonbatteri i mer än 2000 cykler. Batterierna laddades från noll till 100 procent på 10 minuter för varje cykel.

"Detta arbete möjliggör snabbladdning och högenergibatterier allt i ett, "sa Ping Liu, professor i nanoengineering vid Jacobs -skolan och tidningens andra seniorförfattare. "Det är spännande och effektivt."

Teamet beskriver deras arbete i XX -numret av tidningen Avancerade material .

De flesta batteriforskningsinsatser fokuserar på att hitta den perfekta kemin för att utveckla batterier som håller längre och laddas snabbare, Sa Liu. Däremot, UC San Diego -teamet försökte lösa en grundläggande fråga:det faktum att i traditionella metallbatterier, elektrolytvätskan mellan katoden och anoden är statisk. Som ett resultat, när batteriet laddas, litiumjonen i elektrolyten är utarmad, vilket gör det mer troligt att litium kommer att sätta sig ojämnt på anoden. Detta orsakar i sin tur utvecklingen av nålliknande strukturer som kallas dendriter som kan växa okontrollerat från anoden mot katoden, vilket gör att batteriet kortsluts och till och med fattar eld. Snabbladdning påskyndar detta fenomen.

Genom att sprida ultraljudsvågor genom batteriet, enheten får elektrolyten att flöda, fylla på litium i elektrolyten och göra det mer troligt att litium kommer att bildas enhetligt, täta avlagringar på anoden under laddning.

Den svåraste delen av processen var att designa enheten, sade An Huang, tidningens första författare och en doktorsexamen student i materialvetenskap vid UC San Diego. Utmaningen var att arbeta i extremt små skalor, förstå de fysiska fenomenen och hitta ett effektivt sätt att integrera enheten inuti batteriet.

"Vårt nästa steg blir att integrera denna teknik i kommersiella litiumjonbatterier, "sa Haodong Liu, tidningens medförfattare och en nanoengineering postdoktoral forskare vid Jacobs-skolan.