I jakten på en pålitlig, snabbladdning, kallvädersbatteri för bilar, en självmonterande, tunt lager av elektrokemiskt aktiva molekyler kan vara lösningen, enligt ett team eller forskare.

"Litiummetallbatteriet är nästa generations batteri efter litiumjonbatteriet, sa Donghai Wang, professor i maskinteknik och en nyckelforskare vid Battery and Energy Storage Technology Center, Penn State. "Den använder en litiumanod och har högre energitäthet, men har problem med dendritisk tillväxt, låg effektivitet och låg livslängd."

Lösningen på dessa problem, enligt forskarna, är ett självmonterande monolager som är elektrokemiskt aktivt så att det kan sönderdelas till sina rätta komponenter och skydda ytan på litiumanoden.

Batteriet består av litiumanoden, en litiummetalloxidkatod och en elektrolyt som också har litiumjonledande material och skydds-, tunt filmskikt. Utan detta lager, batteriet skulle tendera att växa litiumkristaller om det laddas snabbt eller under kalla förhållanden. Dessa litiumspikar kortsluter så småningom batteriet, minskar användbarheten och livslängden avsevärt.

"Nyckeln är att ställa in den molekylära kemin för att självmontera på ytan, ", sa Wang. "Enkelskiktet kommer att ge ett bra fast elektrolytgränssnitt vid laddning, och skydda litiumanoden."

Forskarna lägger monoskiktet på ett tunt kopparskikt. När batteriet laddas, litium träffar monoskiktet och sönderdelas för att bilda ett stabilt gränsskikt. Lite litium avsätts på kopparn tillsammans med det återstående lagret, och den nedbrutna delen av det ursprungliga lagret reformeras ovanpå litiumet, skyddar litiumet och förhindrar att dendriter av litium bildas.

Enligt forskarna, denna teknik kan öka mängden lagringskapacitet för batteriet och kan öka antalet gånger batteriet kan laddas. Dock, vid denna tidpunkt, batteriet kan bara laddas några hundra gånger. Forskarna rapporterade sitt arbete i ett färskt nummer av Naturenergi .

"Nyckeln är att den här teknologin visar en förmåga att bilda ett lager när det behövs i tid och sönderdelas och spontant reformeras så att det stannar på kopparn och även täcker ytan av litiumet, sa Wang. Så småningom kunde den användas för drönare, bilar, eller några mycket små batterier som används för undervattensapplikationer vid låga temperaturer.