Forskare har gjort den första batterielektroden som läker sig själv, öppnar en ny och potentiellt kommersiellt gångbar väg för att göra nästa generation av litiumjonbatterier för elbilar, mobiltelefoner och andra enheter. Hemligheten är en stretchig polymer som täcker elektroden, binder ihop det och läker spontant små sprickor som utvecklas under batteridrift, sa teamet från Stanford University och Department of Energys (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory.

De rapporterade framsteg i 19 november numret av Naturkemi .

"Självläkande är mycket viktigt för överlevnad och lång livslängd för djur och växter, sa Chao Wang, en postdoktor vid Stanford och en av två huvudförfattare till artikeln. "Vi vill införliva den här funktionen i litiumjonbatterier så att de också kommer att ha en lång livslängd."

Chao utvecklade den självläkande polymeren i Stanford Professor Zhenan Baos labb, vars grupp har arbetat med flexibel elektronisk hud för användning i robotar, sensorer, proteser och andra applikationer. För batteriprojektet lade han till små nanopartiklar av kol till polymeren så att den skulle leda elektricitet.

"Vi fann att kiselelektroder höll 10 gånger längre när de belades med den självläkande polymeren, som reparerade eventuella sprickor inom bara några timmar, " sa Bao.

"Deras kapacitet att lagra energi är inom det praktiska området nu, men vi skulle verkligen vilja driva på det, sade Yi Cui, en docent vid SLAC och Stanford som ledde forskningen tillsammans med Bao. Elektroderna fungerade i cirka 100 laddnings-urladdningscykler utan att avsevärt förlora sin energilagringskapacitet. "Det är fortfarande en bit från målet på cirka 500 cykler för mobiltelefoner och 3, 000 cykler för ett elfordon, " Cui sa, "men löftet finns där, och utifrån all vår data ser det ut som att det fungerar."

Forskare över hela världen tävlar för att hitta sätt att lagra mer energi i de negativa elektroderna på litiumjonbatterier för att uppnå högre prestanda samtidigt som de minskar vikten. Ett av de mest lovande elektrodmaterialen är kisel; den har hög kapacitet för att suga upp litiumjoner från batterivätskan under laddning och sedan släppa ut dem när batteriet sätts i arbete.

Men denna höga kapacitet har ett pris:kiselelektroder sväller till tre gånger normal storlek och krymper ner igen varje gång batteriet laddas och laddas ur, och det spröda materialet spricker snart och faller isär, försämrad batteriprestanda. Detta är ett problem för alla elektroder i högkapacitetsbatterier, sa Hui Wu, en före detta Stanford postdoc som nu är fakultetsmedlem vid Tsinghua University i Peking, tidningens andra huvudförfattare.

För att göra den självläkande beläggningen, forskare försvagade medvetet några av de kemiska bindningarna i polymerer – långa, kedjeliknande molekyler med många identiska enheter. Det resulterande materialet går lätt sönder, men de trasiga ändarna dras kemiskt till varandra och länkar snabbt samman igen, efterliknar processen som gör att biologiska molekyler som DNA kan samlas, ordna om och bryta ner.

Forskare i Cuis labb och på andra håll har testat ett antal sätt att hålla kiselelektroder intakta och förbättra deras prestanda. Vissa undersöks för kommersiellt bruk, men många involverar exotiska material och tillverkningstekniker som är utmanande att skala upp för produktion.

Den självläkande elektroden, som är gjord av kiselmikropartiklar som används i stor utsträckning inom halvledar- och solcellsindustrin, är den första lösningen som verkar erbjuda en praktisk väg framåt, sa Cui. Forskarna sa att de tror att detta tillvägagångssätt kan fungera för andra elektrodmaterial också, och de kommer att fortsätta att förfina tekniken för att förbättra silikonelektrodens prestanda och livslängd.