(Phys.org)—Ett av de största problemen som plågar högenergi, litium-metallbatterier är dendriter, som bildas när en del av litiumet från elektroden börjar förgrena sig utanför elektroden och in i elektrolyten, orsakar kortslutningar. För att kontrollera dendrittillväxt, forskare använder membranseparatorer för att försöka innehålla litium, men hittills har inget separatormaterial visat sig vara idealiskt:keramiska separatorer är spröda och bildar sprickor, polymerseparatorer är mekaniskt svaga, och effektiva nanofiberseparatorer har hittills varit mycket svåra att tillverka.

Nu i en ny studie publicerad i Nanobokstäver , Xiaoming Hao et al. kan ha hittat ett separatormaterial som verkar ha alla rätt egenskaper för att förverkliga ett dendritsäkert batteri. Forskarna satte ihop ultrastarka nanofibermembran gjorda av en typ av polymer mikrofiber som kallas Zylon (eller PBO). Eftersom Zylon är lätt och till och med starkare än Kevlar, den har använts i flera högteknologiska tillämpningar, inklusive NASA:s Martian rovers, rymdhiss prototyper, och sportutrustning som snowboards och tennisracketar.

Här visade forskarna att när Zylon mikrofibrer exfolieras till nanofibrer och sedan gjuts till tunna membran, kombinationen av styrka, elektrisk resistans, och hög värmetolerans gör dem exceptionellt bra membranseparatorer för att förhindra dendrittillväxt i litiumbatterier.

"Den största betydelsen av detta arbete är att ultrastarka nanoporösa membran från exfolierade Zylon nanofibrer utvecklas, " medförfattare Jian Zhu vid Northwestern University i Evanston, Illinois, berättade Phys.org . "Dessa membran kan fungera som högpresterande batteriseparatorer för att undertrycka litiumdendriter och tolerera extrema förhållanden, såsom hög temperatur."

Jämfört med en av de nuvarande toppmoderna batteriseparatorerna, Celgard 2400, det nya nanofibermembranet uppvisar fördelar inom flera områden. Efter 230 timmars cykling med ett batteri med Celgard 2400, elektrodytan verkar mossig med dendritisk litiumtillväxt, medan en elektrodyta med det nya nanofibermembranet förblir slät även efter 700 timmar. Detta förbud mot dendritbildning resulterar i prestandafördelar, inklusive högre långsiktig stabilitet och högre effektivitet. De nya nanofibermembranen är också mer värmetoleranta, så medan Celgard 2400 börjar smälta vid cirka 125° vilket orsakar batterifel, batterier med de nya membranen fortsätter att fungera till 185°, punkten där elektrolyten sönderdelas.

I framtiden, forskarna planerar att utforska strategier för lågkostnads ​​massproduktion av nanofibermembran i industriell skala.

"Det finns flera riktningar för detta område i framtiden, ", sade Zhu. "En prioritet är att vi letar efter alternativa syntesmetoder med lägre kostnad och mer miljövänlighet för att förbereda Zylon (PBO) nanofibrer. Vårt mål är att göra dessa membran tillräckligt billiga för att vara mer attraktiva för industriella partners. En annan riktning är tillämpningen av dessa membran i andra batterisystem som kan involvera dendritbildning."

Dessa system inkluderar batterier baserade på svavel, natrium, eller aluminium, samt superkondensatorer. På grund av deras exceptionella egenskaper, nanofibrerna kan också användas för att förstärka styrkan hos hydrogeler, aerogeler, och olika kompositmaterial.

© 2016 Phys.org