(Phys.org) – Vi tittar på förbättrade batterier för att ladda elbilar och lagra energi från förnybar men intermittent sol- och vindkraft, forskare vid Oak Ridge National Laboratory har utvecklat den första högpresterande, nanostrukturerad fast elektrolyt för mer energitäta litiumjonbatterier.

Dagens litiumjonbatterier är beroende av en flytande elektrolyt, materialet som leder joner mellan den negativt laddade anoden och den positiva katoden. Men flytande elektrolyter medför ofta säkerhetsproblem på grund av deras brandfarlighet, särskilt som forskare försöker packa mer energi i en mindre batterivolym. Att bygga batterier med en fast elektrolyt, som ORNL-forskare har visat, skulle kunna övervinna dessa säkerhetsproblem och storleksbegränsningar.

"För att göra det säkrare, lätt batteri, vi behöver designen i början för att ha säkerhet i åtanke, " sa ORNLs Chengdu Liang, som ledde den nyligen publicerade studien i Journal of the American Chemical Society . "Vi började med ett konventionellt material som är mycket stabilt i ett batterisystem – särskilt ett som är kompatibelt med en litiummetallanod."

Möjligheten att använda ren litiummetall som anod kan i slutändan ge batterier fem till tio gånger kraftfullare än nuvarande versioner, som använder kolbaserade anoder.

"Att cykla mycket reaktiv litiummetall i brandfarliga organiska elektrolyter orsakar allvarliga säkerhetsproblem, " sa Liang. "En fast elektrolyt gör att litiummetallen kan cirkulera bra, med mycket förbättrad säkerhet."

ORNL-teamet utvecklade sin fasta elektrolyt genom att manipulera ett material som kallas litiumtiofosfat så att det kunde leda joner 1, 000 gånger snabbare än dess naturliga bulkform. Forskarna använde en kemisk process som kallas nanostrukturering, som förändrar strukturen hos kristallerna som utgör materialet.

"Tänk på det i termer av en stor kristall av kvarts kontra mycket fin strandsand, " sa medförfattaren Adam Rondinone. "Du kan ha samma totala volym av material, men det är uppdelat i mycket små partiklar som packas ihop. Den är gjord av samma atomer i ungefär samma proportioner, men på nanoskala är strukturen annorlunda. Och nu leder detta fasta material litiumjoner i en mycket högre hastighet än den ursprungliga stora kristallen."

Forskarna fortsätter att testa battericeller i labbskala, och ett patent på lagets uppfinning väntar.

"Vi använder en rumstemperatur, lösningsbaserad reaktion som vi tror lätt kan skalas upp, " sade Rondinone. "Det är ett energieffektivt sätt att göra stora mängder av detta material."