En uppladdningsbar batteriteknologi utvecklad vid University of Michigan skulle kunna fördubbla produktionen av dagens litiumjonceller – drastiskt utöka elfordons räckvidd och tid mellan mobiltelefonladdningar – utan att ta upp något extra utrymme.

Genom att använda en keramik, elektrolyt i fast tillstånd, ingenjörer kan utnyttja kraften i litiummetallbatterier utan de historiska problemen med dålig hållbarhet och kortslutning. Resultatet är en färdplan för vad som kan bli nästa generations laddningsbara batterier.

"Det här kan vara en spelväxlare - ett paradigmskifte i hur ett batteri fungerar, " sa Jeff Sakamoto, en U-M docent i maskinteknik som leder arbetet.

På 1980-talet laddningsbara litiummetallbatterier som använde flytande elektrolyter ansågs vara nästa stora sak, penetrera marknaden för tidiga bärbara telefoner. Men deras benägenhet att förbrännas när de laddades ledde ingenjörer åt olika håll. Litiumatomerna som pendlar mellan elektroderna tenderade att bygga trädliknande filament som kallas dendriter på elektrodytorna, så småningom kortsluta batteriet och antända den brandfarliga elektrolyten.

Litiumjonbatteriet – ett stabilare, men mindre energität teknik – introducerades 1991 och blev snabbt den nya standarden. Dessa batterier ersatte litiummetall med grafitanoder, som absorberar litium och förhindrar att dendriter bildas, men kommer också med prestandakostnader:

Grafit kan bara hålla en litiumjon för varje sex kolatomer, ger den en specifik kapacitet på cirka 350 milliampere timmar per gram (mAh/g.) Litiummetallen i ett solid state-batteri har en specifik kapacitet på 3, 800 mAh/g.

Nuvarande litiumjonbatterier maxar ut med en total energitäthet runt 600 wattimmar per liter (Wh/L) på cellnivå. I princip, halvledarbatterier kan nå 1, 200 Wh/L.

För att lösa litiummetallens förbränningsproblem, U-M-ingenjörer skapade ett keramiskt skikt som stabiliserar ytan - hindrar dendriter från att bildas och förhindrar bränder. Det tillåter batterier att utnyttja fördelarna med litiummetall – energitäthet och hög ledningsförmåga – utan risker för bränder eller försämring över tid.

"Vad vi har kommit fram till är ett annat tillvägagångssätt - att fysiskt stabilisera litiummetallytan med en keramik, " sa Sakamoto. "Det är inte brännbart. Vi gör det på över 1, 800 grader Fahrenheit i luften. Och det finns ingen vätska, vilket är vad som vanligtvis ger bränsle till batteribränderna du ser.

"Du blir av med det bränslet, du blir av med förbränningen."

I tidigare fasta elektrolyttest, litiummetall växte genom den keramiska elektrolyten vid låga laddningshastigheter, orsakar kortslutning, ungefär som det i flytande celler. UM-forskare löste detta problem med kemiska och mekaniska behandlingar som ger en orörd yta för litium att plåta jämnt, effektivt undertrycka bildningen av dendriter eller filament. Detta förbättrar inte bara säkerheten, det möjliggör en dramatisk förbättring av laddningshastigheter, sa Sakamoto.

"Ända tills nu, hastigheten med vilken du kan plåta litium skulle innebära att du skulle behöva ladda ett bilbatteri av litiummetall över 20 till 50 timmar (för full effekt), " sa Sakamoto. "Med detta genombrott, vi visade att vi kan ladda batteriet på 3 timmar eller mindre.

"Vi talar om en ökning av laddningshastigheten med faktor 10 jämfört med tidigare rapporter för solid state litiummetallbatterier. Vi är nu i nivå med litiumjonceller när det gäller laddningshastigheter, men med ytterligare fördelar. "

Den laddningen/laddningsprocessen är det som oundvikligen leder till att ett litiumjonbatteri slutligen dör. Att upprepade gånger byta joner mellan katoden och anoden producerar synlig nedbrytning direkt ur lådan.

Vid testning av den keramiska elektrolyten, dock, ingen synlig nedbrytning observeras efter långvarig cykling, sa Nathan Taylor, en U-M postdoktor i maskinteknik.

"Vi gjorde samma test i 22 dagar, " sa han. "Batteriet var precis detsamma i början som det var i slutet. Vi såg ingen försämring. Vi är inte medvetna om att någon annan bulk-solid-state-elektrolyt har fungerat så här bra så länge."

Bulk solid state elektrolyter möjliggör celler som är en drop-in ersättning för nuvarande litiumjonbatterier och kan dra nytta av befintlig batteritillverkningsteknik. Med verifierad materialprestanda, forskargruppen har börjat producera tunna fasta elektrolytskikt som krävs för att uppfylla fasta tillståndsmålen.

Gruppens resultat publiceras i numret 31 augusti av Journal of Power Sources .