När det gäller den speciella såsen av batterier, forskare vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory har upptäckt att allt handlar om saltkoncentrationen. Genom att få rätt mängd salt, precis där de vill ha det, de har visat att ett litet litiummetallbatteri kan laddas om sju gånger mer än batterier med konventionella elektrolyter.

Ett batteris elektrolytlösning skjuter laddade atomer mellan elektroderna för att generera elektricitet. Att hitta en elektrolytlösning som inte korroderar elektroderna i ett litiummetallbatteri är en utmaning, men PNNL-metoden, publiceras online i Avancerade material , skapar framgångsrikt ett skyddande lager runt elektroderna och uppnår betydligt ökade laddnings-/urladdningscykler.

Konventionella elektrolyter som används i litiumjonbatterier, som driver hushållselektronik som datorer och mobiltelefoner, är inte lämpliga för litiummetallbatterier. Litium-metallbatterier som ersätter en grafitelektrod med en litiumelektrod är den "heliga gralen" för energilagringssystem eftersom litium har en större lagringskapacitet och, därför, ett litium-metallbatteri har dubbel eller tredubblad lagringskapacitet. Den extra kraften gör att elfordon kan köra mer än två gånger längre mellan laddningarna.

Att tillsätta mer litiumbaserat salt till den flytande elektrolytblandningen skapar ett stabilare gränssnitt mellan elektrolyten och elektroderna som, i tur och ordning, påverkar batteriets livslängd. Men den höga koncentrationen av salt har tydliga nackdelar - inklusive den höga kostnaden för litiumsalt. Den höga koncentrationen ökar också viskositeten och sänker jonernas konduktivitet genom elektrolyten.

"Vi försökte bevara fördelen med den höga koncentrationen av salt, men kompensera nackdelarna, " sa Ji-Guang "Jason" Zhang, en senior batteriforskare vid PNNL. "Genom att kombinera ett fluorbaserat lösningsmedel för att späda elektrolyten med hög koncentration, vårt team kunde avsevärt sänka den totala litiumsaltkoncentrationen men ändå behålla dess fördelar."

I denna process, de kunde lokalisera de höga koncentrationerna av litiumbaserat salt i "kluster" som fortfarande kan bilda skyddsbarriärer på elektroden och förhindra tillväxt av dendriter-mikroskopisk, stiftliknande fibrer – som gör att uppladdningsbara batterier kortsluter och begränsar deras livslängd.

PNNL:s patentsökta elektrolyt testades i PNNL:s Advanced Battery Facility på en experimentell battericell som i storlek liknar ett klockbatteri. Den kunde behålla 80 procent av sin ursprungliga laddning efter 700 cykler med urladdning och laddning. Ett batteri som använder en vanlig elektrolyt kan bara behålla sin laddning i cirka 100 cykler.

Forskare kommer att testa denna lokaliserade högkoncentrationselektrolyt på "påse"-batterier som utvecklats i labbet, som är storleken och kraften hos ett mobiltelefonbatteri, för att se hur den presterar i den skalan. De säger att konceptet med att använda detta nya fluorbaserade utspädningsmedel för att manipulera saltkoncentrationen också fungerar bra för natrium-metallbatterier och andra metallbatterier.

Denna forskning är en del av Battery500 -konsortiet som leds av PNNL som syftar till att utveckla mindre, lättare, och billigare batterier som nästan tredubblar den specifika energi som finns i batterier som driver dagens elbilar. Specifik energi mäter mängden energi som packas in i ett batteri baserat på dess vikt.