Litiummetall är en av de mest lovande kandidaterna för nästa generations batterianoder på grund av dess exceptionellt höga specifika kapacitet. Dock, dess utbredda användning hindras av ett utmanande hinder:vid flera laddnings-urladdningscykler, fraktala filament som kallas dendriter kan växa genom elektrolyten från den negativa till den positiva elektroden och kortsluta batteriet från insidan, vilket utgör ett stort säkerhetsproblem.

I en tidning publicerad i Naturmaterial , Venkat Viswanathan, en docent vid Carnegie Mellons institution för maskinteknik, och hans medförfattare tog upp denna fråga genom att undersöka hur en solid-ion-ledare (SIC) – en komponent som kan användas som en separator mellan anoden och elektrolyten – kan förhindra dendriter.

De utarbetade först en teoretisk modell för att fastställa designreglerna som SIC:er måste följa för att uppnå elektroavsättningscykelstabilitet. Från denna modell, de lärde sig att denna stabilitet är beroende av mestadels två egenskaper hos SIC:dess skjuvmodul, ett mått av stelhet, och volymen som upptas av en litiumjon när den rör sig genom SIC.

Material med låg skjuvmodul och liten litiumvolym dämpar dendriter, medan material med hög modul och stor litiumvolym blockerar dem. Detta ger upphov till två stabilitetsregioner:en dendritdämpande, och en dendritblockerande. Medan dendritblockerande regimen redan var välkänd och studerad inom elektrokemi, den dendrit-undertryckande domänen hade ännu inte utforskats.

Att se den stora oceanen av möjligheter för vetenskapliga framsteg inom denna tidigare okända stabilitetsregion, genom samarbete med Brett Helms grupp vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), teamet konstruerade en polymerbaserad komposit-SIC designad speciellt för att undersöka denna dendrit-undertryckande regim och validera deras hypotes.

Med hjälp av en rad både beräknings- och experimenttekniker, de visade att detta nya material, genom att komma åt en tidigare okänd stabilitetsdomän, kan verkligen kringgå dendrithindern som förföljer användningen av litiummetall som en högkapacitetsanod.

Deras arbete kan fungera som en språngbräda för ytterligare framsteg mot nästa generations batterier, nödvändiga för att driva spännande ny teknik som flygande bilar.

Pappret, med titeln "Universella kemomekaniska konstruktionsregler för solidjonledare för att förhindra dendritbildning i litiummetallbatterier, " publicerades i Naturmaterial i april 2020.