Skannade elektronmikroskopbilder visar en sekvens av litiumfolier som behandlats av forskare vid Rice University. Att borsta metallpulver i litiumanoder för uppladdningsbara batterier kan förhindra bildning av skadliga dendriter. Skalstängerna representerar 100 mikron. Kredit:The Tour Group
Lite borstning kan vara hemligheten till att göra bättre uppladdningsbara litiumbatterier.
Kemisten James Tours Rice University-labb introducerade en teknik för att justera ytan på anoderna för batterier genom att helt enkelt borsta in pulver i dem. Pulvret fäster vid anoden och blir en tunn, lithierad beläggning som effektivt förhindrar bildningen av skadliga dendriter.
Ett pulver av fosfor och svavel malt in i ytan av litiummetallfolie visade att dess ytenergi kan ställas in utan behov av giftiga lösningsmedel. Anoder som är så modifierade och parade med litium-järn-fosfat-oxid-katoder i testceller visade att de behöll 70 % mer kapacitet efter 340 laddnings-urladdningscykler än vanliga batterier.
Studien visas i Avancerat material .
"Detta skulle förenkla tillverkningen av högkapacitetsbatterier samtidigt som de förbättras avsevärt," sa Tour. "Att slipa dessa pulveriserade fasta ämnen till en litiummetallanod minskar dramatiskt dendritbildning som kan kortsluta ett batteri, såväl som den accelererade förbrukningen av materialen."
Huvudförfattaren och Rice-studenten Weiyin Chen och hans labbkollegor applicerade det nödvändiga armbågsfettet för att testa en mängd olika pulverkandidater på sina elektroder. De borstade först ytan för att ge den textur, borstade sedan in pulver för att skapa den fina filmen som reagerar med litiummetallen och bildar ett fast passiveringsskikt.
Att borsta metallpulver i ytan på litiumanoder visar ett löfte om att minska hotet från dendriter som skadar återvinningsbara batterier, enligt forskare vid Rice University. Kredit:The Tour Group
Chen och medförfattare Rodrigo Salvatierra, en före detta postdoktor och nu en akademisk besökare i Tour-labbet, konstruerade testbatterier och fastställde att de behandlade anoderna bibehöll ultralåg polarisation - en annan skadlig egenskap för litiumjonbatterier - i mer än 4 000 timmar, ca. åtta gånger längre än bara litiumanoder.
Tour sa att pulvren effektivt justerar ytenergin på elektroderna, vilket ger ett mer enhetligt beteende över materialet.
"Detta ger en metallkomposityta som förhindrar förlust av litiummetall från anoden, ett vanligt problem i litiummetallbatterier," sa Tour. "Litiummetallbatterier överstiger vida kapaciteten hos traditionella litiumjonbatterier, men litiummetallen är ofta svår att ladda om flera gånger."
"Pulvret på litiummetallytan producerar ett artificiellt passiveringsskikt som förbättrar stabiliteten under laddnings-urladdningscyklerna," sa Chen. "Med den här borstningsmetoden stabiliseras metallytan så att den kan laddas på ett säkert sätt."
För att visa att tekniken kan ha bredare tillämpning, malde labbet också pulver till en natriumelektrod och upptäckte att processen kraftigt stabiliserade dess spänningsöverpotential.
Studien överensstämmer med den senaste upptäckten av Tour och Rices maskiningenjör C. Fred Higgs III att slipning av vissa pulver i ytor kan göra dem superhydrofoba, eller mycket motståndskraftiga mot vatten.
Medförfattare till tidningen är risaluner John Li och Duy Luong; doktorander Jacob Beckham, Nghi La och Jianan Xu, och akademisk besökare Victor Li. Turnén är T.T. och W.F. Chao Chair i kemi samt professor i datavetenskap och i materialvetenskap och nanoteknik vid Rice. + Utforska vidare
