Dramatiskt längre varaktighet, snabbare laddning och säkrare litiummetallbatterier kan vara möjliga, enligt Penn State forskning, nyligen publicerad i Naturenergi .

Forskarna utvecklade en tredimensionell, tvärbunden polymersvamp som fäster på metallplätering av en batterianod.

"Detta projekt syftar till att utveckla nästa generation av metallbatterier, sa Donghai Wang, professor i maskinteknik och projektets huvudutredare. "Litiummetall har prövats i batterier i decennier, men det finns några grundläggande frågor som hämmar deras framsteg."

Under ytterligare påfrestning, som i de snabbladdningsmetoder som önskas i elfordon, litiumjonbatterier (Li) är känsliga för dendritisk tillväxt - nålliknande formationer som kan minska cykellivslängden och potentiellt orsaka säkerhetsproblem - inklusive bränder eller explosioner.

"Vårt tillvägagångssätt var att använda en polymer på gränsytan av Li-metall, " förklarade Wang. Materialet fungerar som en porös svamp som inte bara främjar jonöverföring, men hämmar också försämring.

"Detta gjorde att metallplätering var fri från dendriter, även vid låga temperaturer och snabba laddningsförhållanden, " han sa.

Wang, som är en ansluten fakultetsmedlem vid Penn State Institutes of Energy and the Environment, tillhör också Battery Energy and Storage Technology Center, ett ledande forskningsinstitut inom energilagring.

En kritisk komponent i både IEE och BEST Centers uppdrag, detta projekt samlade forskare från olika discipliner inom universitetet.

"Samarbetet i den här kohorten hjälpte verkligen till att driva detta dokument framåt, " Wang förklarade. "Det gjorde det möjligt för oss att undersöka de olika aspekterna av detta problem, från materialvetenskap, kemiteknik, kemi, och maskintekniska perspektiv."

I detta samarbetsarbete, Long-Qing Chens grupp vid institutionen för materialvetenskap och teknik genomförde modelleringsarbete för att förstå förbättringen av Li-metallanoder.

De praktiska tillämpningarna av detta arbete skulle kunna möjliggöra mer kraftfulla och stabila metallbatteriteknologier som är integrerade i vardagen, enligt forskarna.

"I ett elfordon, det kan öka räckvidden för en körning innan den behöver laddas med hundratals mil, ", sa Wang. "Det kan också ge smartphones en längre batteritid."

Med blicken mot framtiden, teamet kommer att utforska de praktiska tillämpningarna i en storformatsbattericell för att visa dess fördelar och genomförbarhet.

Wang sa, "Vi vill driva dessa tekniker framåt. Med detta arbete, Jag är säker på att vi kan fördubbla livscykeln för dessa Li-metallbatterier."