Dagens batterier kan inte ta in all energi från en vindkraftspark en blåsig natt och hålla kvar den tills den behövs nästa dag. Ett lovande alternativ är att skapa ett batteri med högre kapacitet genom att byta ut den negativa elektroden i konventionella batterier mot ett av litiummetall. Problemet? Dendriter - avlagringar som bildas på elektrodytor under laddningsprocessen - gör att batterierna kortsluts, leder till allvarliga säkerhetsrisker. Nyligen, forskare upptäckte hur man förhindrar dendritbildning. För första gången, ett team inklusive experter vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory odlade skyddande filmer runt anoderna som förhindrade dendriter från att bildas.

Att förändra vår nations energiekonomi innebär att hitta bättre sätt att lagra energi. Resultaten från denna studie, gjort genom DOE:s Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), kan hjälpa forskare att designa en säker och stabil metallisk litiumanod och i slutändan bana väg för praktisk användning av batterisystem med hög energidensitet för elfordon och lagring av förnybar energi.

Forskare från Pacific Northwest National Laboratory, plus Harbin Institute of Technology, Wuhan University, Tianjin Institute of Power Sources, och US Army Research Laboratory utvärderade effektiviteten av en elektrolytadditiv som kallas cesiumhexafluorofosfat (CsPF6) för att förbättra batteriets prestanda och skydda den negativa elektroden eller anoden.

Forskarna använde högupplöst svepelektronmikroskopi med energidispersiv röntgenanalys för att studera mikrostruktur och elementär sammansättning, och högupplöst röntgenfotoelektronspektroskopi för mer detaljerad kemisk karakterisering. Båda instrumenten finns på EMSL, en DOE nationell vetenskaplig användaranläggning.

CsPF6-tillsatsen främjade dendritfri tillväxt av filmer gjorda av tätt packade litiumnanostavar, som liknar en näve torra spaghetti nudlar. Elektrolyttillsatsen främjade också skapandet av ett litiumrikt fast elektrolytgränsskikt. Detta komplexa skikt bildas snabbt från nedbrytningsprodukterna i batteriets elektrolyt, ämnet i batterier som fungerar som ett medium för att leda litiumjoner mellan elektroderna. Den kombinerade effekten av Cs+-tillsatsen och SEI-skiktet bidrog till att litiumjonerna smidigt avsattes på ytan, fri från dendriter, under laddning. Dessutom, litiumfilmerna förblev fria från dendriter efter upprepad laddning och användning, eller avsättnings-/strippningscykler.

Tagen tillsammans, resultaten visar att CsPF6 främjar ordnad och jämn tillväxt av litiummetallfilmer, skyddar anoden, och förbättrar batteriets prestanda.

Forskarna fortsätter att förstå de faktorer som påverkar bildandet och utvecklingen av SEI-skiktet och andra komponenter i batteriet för att stabilisera långsiktig prestanda hos litiummetall och andra metallanoder.