Litium-metallbatterier är bland de mest lovande kandidaterna för högdensitetsenergilagringsteknik i ett växande utbud av digitala "smarta" enheter och elektriska fordon, men okontrollerad litiumdendrittillväxt, vilket resulterar i dålig laddningsförmåga och säkerhetsrisker, för närvarande mildrar sin potential.

Dendriter är nålliknande utväxter som uppträder på ytan av litiummetall, som används som anod, eller negativ elektrod, av ett batteri. De framkallar oönskade bireaktioner som minskar energitätheten, och i värsta fall, orsaka kortslutning av elektroderna som kan leda till bränder eller explosioner.

Ny forskning från Arizona State University som involverar användning av ett 3-dimensionellt lager av polydimetylsiloxan (PDMS), eller silikon, eftersom substratet av litiummetallanod har visat sig mildra dendritbildning och både förlänger batteriets livslängd dramatiskt och minskar säkerhetsriskerna.

Enligt Hanqing Jiang, en professor vid Arizona State Universitys School for Engineering of Matter, Transport and Energy och en ledande forskare på en artikel publicerad i Naturenergi , fynden har relevans för både litiumjon- och litium-luftbatterier, samt konsekvenser för andra metallanodbaserade batterier.

"Nästan alla metaller som används som batterianoder tenderar att utveckla dendriter, " förklarade Jiang. "Till exempel, dessa fynd har implikationer för zink, natrium- och aluminiumbatterier också."

Jiang sa att han och forskargruppen, snarare än att närma sig problemet ur ett material eller elektrokemiskt perspektiv, letade efter lösningar som maskiningenjörer. "Vi vet redan att små plåtnålar eller morrhår kan sticka ut ur plåtytor under stress, så analogt tittade vi på möjligheten av stress som en faktor i litiumdendrittillväxt."

Den första omgången av forskning involverade att lägga till ett lager av PDMS till botten av batterianoden. "Det var anmärkningsvärda minskningar av dendrittillväxt, " sa Jiang. Forskarna upptäckte att detta är direkt relaterat till det faktum att stress som ackumulerats inuti litiummetallen lindras av deformationen av PDMS-substratet i form av "rynkor".

"Detta är första gången övertygande bevis visar att kvarvarande stress spelar en nyckelroll i initieringen av litiumdendriter, sa Jiang.

Förutom att få en grundläggande förståelse av litiumdendrittillväxtmekanismen, Jiangs grupp kom också på ett smart sätt att utnyttja fenomenet för att förlänga livslängden på litium-metallbatterier samtidigt som de bibehåller sin höga energitäthet. Lösningen är att ge PDMS-substrat en tredimensionell form med mycket yta. "Föreställ dig sockerbitar som innehåller många små inre porer, " förklarade Jiang. "Inuti dessa kuber, PDMS bildar ett kontinuerligt nätverk som substrat, täckt av ett tunt kopparskikt för att leda elektroner. Till sist, litium fyller porerna. PDMS, som fungerar som en porös, svampliknande lager, lindrar stressen och hämmar effektivt dendrittillväxt."

"Genom att synergistiskt kombinera med andra metoder för undertryckande av litiumdendrit, såsom nya elektrolyttillsatser, upptäckten har breda konsekvenser för att göra litium-metallbatterier till säkra, hög densitet, långsiktig energilagringslösning, sade professor Ming Tang, en forskargruppsmedlem vid Rice University. "Möjliga applikationer sträcker sig från personliga elektroniska enheter till att driva elbilar under exceptionellt längre perioder till att vara reservkraften för solkraftsnät."