Med ökad användning av laddningsbara batterier för att driva modern teknik, särskilt elfordon, forskare har letat efter alternativa material för litiumjon i uppladdningsbara batterier.

Moderna batterier använder litium och kobolt, men dessa har ett mycket begränsat utbud.

Materialforskare vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis har hittat ett potentiellt alternativ för litium i fluor, ett relativt rikligt och lätt inslag. Deras forskning trycktes 7 december i Journal of Materials Chemistry .

Intressant, fluoridjonen är spegeln motsatsen till litiumjonen, har den starkaste attraktionen för elektroner, vilket gör att den enkelt kan utföra elektrokemiska reaktioner. Forskare i Japan testar också fluoridjonbatterier som möjliga ersättningar för litiumjonbatterier i fordon. De säger att dessa batterier kan tillåta elfordon att köra 1, 000 kilometer (621 miles) på en enda laddning. Dock, nuvarande fluoridjonbatterier har dålig cyklbarhet – det vill säga de tenderar att försämras snabbt med laddnings-urladdningscykler.

Forskarna Steven Hartman och Rohan Mishra har antagit ett nytt tillvägagångssätt för design av fluoridjonbatterier, identifiera två material som lätt får eller förlorar fluoridjoner samtidigt som de genomgår små strukturella förändringar för att möjliggöra god cyklbarhet. Mishra, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap, sa att de nya batterimaterialen båda är skiktade elektroder.

Elektroder är en relativt ny klass av material som varit kända i princip i cirka 50 år, men det var inte förrän de senaste 10 till 15 åren som deras egenskaper blev bättre förstått, sa Mishra. Även om dessa material leder elektroner som vanliga metaller, till skillnad från "elektronhavet" i metaller där elektronerna är delokaliserade genom hela kristallen, i elektroder, elektronerna finns på specifika interstitiella platser i kristallstrukturen, liknar en jon.

"Vi förutspår att dessa interstitiella elektroner lätt kan ersättas med fluoridjoner utan betydande deformationer av kristallstrukturen, vilket möjliggör cykelbarhet, "Mishra sa. "Floridjonerna kan också röra sig eller diffundera ganska lätt på grund av den relativt öppna strukturen hos de skiktade elektriderna."

Hartman, en alumn från Institute of Materials Science &Engineering som tog en doktorsexamen i Mishras labb innan han accepterade ett postdoktoralt stipendium vid Los Alamos National Laboratory, använde kvantmekaniska beräkningar för att testa dussintals potentiella batterikandidater.

De datoriserade testerna införde fluorid i de mellanliggande utrymmena av de skiktade elektriderna dikalciumnitrid och yttriumhypokarbid. Energilagringskapaciteten låg nära prestandan hos litiumjonbatterier. När det gäller dikalciumnitrid, den består av relativt rikliga element och kan hjälpa till att övervinna utbudsbristen på element som för närvarande används i litiumjonbatterier.

Hartman kontrasterade batteristudien med en del av Mishra-gruppens andra arbete, som använder maskininlärning "big data"-tekniker för att sålla bland tusentals kandidater.

"Det här krävde mer intuition och försök och misstag än andra studier vi har gjort, ", sa Hartman. "I princip, du kan lägga till mycket fluoridjoner till konventionella elektroder för att lagra mycket laddning, men i praktiken dessa teoretiska kapaciteter är svåra att hantera. När vi lägger till fluor till konventionella elektroder, de sväller och krymper dramatiskt när det laddas och urladdas, och det kan leda till sprickbildning och förlust av elektrisk kontakt."

Att minimera denna volym- och formförändring är viktigt för att skapa ett hållbart fluorbatteri.

"I dessa skiktade elektridmaterial, vi förutspår att tillsats och borttagning av fluoridjoner skulle orsaka betydligt mindre strukturella förändringar, vilket hjälper till att uppnå ett längre cykelliv, sa Hartman.

Mishras labb vill samarbeta med forskare som kan syntetisera de lovande elektroderna som identifierats i denna studie och testa dem i prototypbatterier.

McKelvey School of Engineering innehåller en grupp tvärvetenskapliga fakultetsmedlemmar som bedriver batteriforskning. Ny forskning av Peng Bai, biträdande professor i energi, miljö- och kemiteknik, resulterat i förmågan att approximera batteriets strömtäthetströskel och exakt förutsäga kortslutningstiden för en viss strömtäthet.

Jason han, professor i energi, miljö- och kemiteknik, genomförde nyligen en genomförbarhetsstudie för elektrokemisk "påfyllning" av litiumjonbatterier i de förbrukade elektroderna för att regenerera användbara föreningar, såsom litiumkoboltoxid.