En forskargrupp från Washington State University har utvecklat ett sätt att ta itu med ett stort säkerhetsproblem med litiummetallbatterier – en innovation som kan göra högenergibatterier mer livskraftiga för nästa generations energilagring.

Forskarna använde en formulering för sina batterier som ledde till bildandet av en unik, skyddande lager runt deras litiumanod, skyddar batterierna från nedbrytning och låter dem arbeta längre under typiska förhållanden. Leds av Min-Kyu Song, biträdande professor vid WSU School of Mechanical and Materials Engineering, forskarna rapporterar om arbetet i tidskriften, Nanoenergi .

Litiummetall anses vara "drömmaterialet" för batterier, sa Song. Det beror på att bland kända fasta material, den har den högsta energitätheten, vilket innebär att batterier kan köras dubbelt så länge och hålla mer energi än de allestädes närvarande litiumjonbatterier som driver de flesta moderna elektronik. Medan litiumjonbatterier fungerar genom att passera litiumjoner mellan en grafitanod och en litiumkoboltoxidkatod, anoden i ett litiummetallbatteri är gjord av högenergilitiummetallen.

"Om vi ​​direkt kan använda litiummetall, vi kan förbättra batteriernas energitäthet dramatiskt, " sa Song.

Även om fördelarna med litiummetall har varit kända i årtionden, forskare har aldrig kunnat få dem att fungera säkert. När elektroner färdas mellan anoden och katoden genom den externa kretsen för att driva en enhet, Julgransliknande dendriter börjar bildas på litiummetallen. Dendriterna växer tills de orsakar elektriska kortslutningar, bränder, eller explosioner. Även om de inte antänds, litiummetallbatterierna förlorar också mycket snabbt sin förmåga att ladda.

WSU-forskargruppen utvecklade ett batteri där de packade selendisulfid, en giftfri kemikalie som används i mjällschampo, till en porös kolstruktur för deras katod. De lade till två tillsatser till de flytande elektrolyterna som vanligtvis utforskas i nästa generations litiumbatterier.

De två tillsatserna fungerade synergistiskt och bildade ett skyddande lager på litiummetallytan som var tät, ledande, och tillräckligt robust för att undertrycka tillväxten av dendriter samtidigt som den tillåter god cykelstabilitet, sa Song. När de testas vid typiska strömtätheter som människor skulle använda för elektronik, den skyddade litiummetallanoden kunde laddas 500 gånger och bibehöll hög effektivitet.

"Ett sådant unikt skyddande lager ledde till små morfologiska förändringar av litiumanoden under cykling och mildrade effektivt tillväxten av litiumdendriter och oönskade bireaktioner, " han sa.

Forskarna tror att deras teknik kan vara skalbar och kostnadseffektiv.

"Om den kommersialiseras, denna nya formulering har verklig potential, " sa Song. "Jämfört med solid-state-batterier som fortfarande är år borta, du behöver inte ändra tillverkningsprocedurerna, och detta skulle kunna tillämpas på verklig industri mycket tidigare, öppnar upp en lovande väg mot utvecklingen av högenergilitiummetallbatterier med lång livslängd."

Forskarna fortsätter att arbeta med batteriet, utveckla en separator som ytterligare skyddar batterimaterialen från försämring och förbättrar säkerheten utan att kompromissa med prestanda.