Uppladdningsbart litiumjon, den dominerande batteriteknologin för bärbar elektronik, blir alltmer det bästa batteriet för energilagring av elfordon och elnät.

I ett litiumjonbatteri, katoden (positiv elektrod) är en litiummetalloxid medan anoden (negativ elektrod) är grafit. Men forskare letar efter sätt att ersätta grafit med litiummetall som anod för att öka batteriets energitäthet.

Eftersom packningsdensiteten för litiumatomer är den högsta i sin metalliska form, batterier som använder metalliska litiumanoder kan packa mer energi per vikt eller volym än grafitbaserade anoder. Dock, litiummetallanoder plågas av "dendrit"-uppbyggnad som sker under upprepade cykler av laddning och urladdning.

Dendriter är grenliknande utsprång som kommer ut från litiummetallytan. Ofta, de växer tillräckligt långa för att skapa en kortslutning mellan elektroderna, leder till brandrisk.

Men nu har ett team av forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer) upptäckt ett sätt att använda intern batterivärme för att sprida dendriterna till ett slätt lager. Forskarna rapporterade sina resultat denna vecka i Vetenskap .

"Vi har funnit att litiummetalldendriter kan läkas in situ genom självuppvärmning av de dendritiska partiklarna, sa Nikhil Koratkar, John A. Clark och Edward T. Crossan professor i teknik vid Rensselaer och motsvarande författare till tidningen.

Arbeta kring dendritproblemet

En batterienhet består av två elektroder - katoden och anoden. Mellan elektroderna finns ett isolerande membran som fungerar som en separator för att förhindra att elektroderna vidrör varandra och kortsluter batteriet. Separatorn är mättad med en flytande elektrolyt, vilket gör att joner (laddade atomer) kan pendla fram och tillbaka mellan elektroderna.

Kemiska reaktioner producerar elektricitet när positivt laddade litiumjoner från anoden transporteras till katoden vid urladdning. När batteriet är anslutet till ett uttag för att ladda, det omvända händer:litiumjonerna flyter från katoden tillbaka till anoden.

I ett batteri med en litiummetallanod, upprepade cykler med urladdning och laddning orsakar dendrituppbyggnad på anodens yta. Denna taggiga uppbyggnad kan så småningom tränga in i avskiljaren och vidröra katoden. När detta händer, en kortslutning sker som gör ett batteri obrukbart, eller värre, orsakar brand.

Industrin har undvikit litiumdendritproblemet genom att använda kolanoder (vanligtvis grafit). I detta tillvägagångssätt, litiumjoner diffunderar in i och lagras i kolmatrisen, som isolerar varje litiumatom, förhindrar därmed uppbyggnad av dendriter. Vanligtvis, en litiumatom lagras för var sjätte kolatom, med överskott av kolmaterial som serverar lite mer än dödvikt.

"Litiumjonbatterier med kolbaserade anoder är det bästa tillgängliga alternativet, men de kan inte längre hålla jämna steg med efterfrågan på lagringskapacitet, " sa Koratkar. "För alla betydande nya förbättringar, vi måste leta någon annanstans. Det bästa alternativet skulle vara ett litiummetallsystem. "

Självuppvärmningsteknik kan vara en förändring

Rensselaer-forskarnas föreslagna lösning drar fördel av batteriets interna resistiva uppvärmning för att eliminera dendrituppbyggnaden. Resistiv uppvärmning (även känd som Joule-uppvärmning) är en process där ett metalliskt material motstår strömflöde och, som ett resultat, producerar värme. Denna "självvärmning" sker genom laddning och urladdning.

Forskarna ökade självuppvärmningseffekten genom att öka strömtätheten (laddningsurladdningshastigheten) för batteriet. Processen utlöste omfattande ytdiffusion av litium, sprider dendriterna till ett jämnt lager.

Forskare visade först denna utjämning (läkning) av dendriterna i en litium-litiumsymmetrisk cell. De visade sedan processen med samma resultat i en proof-of-concept-demonstration med hjälp av ett litium-svavelbatteri.

Dendritläkning skulle utföras av programvara för batterihanteringssystem, vilket skulle ge doser av "självläkande" behandling genom att köra några cykler med hög laddning och urladdning när en elektronisk anordning inte används.

"En begränsad mängd cykler vid hög strömtäthet skulle inträffa för att läka dendriterna, och sedan kan normal drift återupptas, " sa Koratkar. "Självläkning skulle inträffa som en underhållsstrategi, långt innan dendriterna blir en säkerhetsrisk. "

"Högdensitetsenergilagring är fortfarande ett kritiskt hinder mellan skörd av förnybar energi och dess utbredda användning i allt från elektriska fordon till solcellsdrivna hem, ", sa dekanus för ingenjörsvetenskap Shekhar Garde. "Resultat från Prof. Koratkars labb visar hur den grundläggande förståelsen av material på nanoskala kan användas för att inte bara öka energitätheten hos batterier, men också öka deras liv och göra dem säkrare."