Yuan Yang, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Columbia Engineering, har utvecklat en ny metod som kan leda till litiumbatterier som är säkrare, har längre batteritid, och är böjbara, ger nya möjligheter som flexibla smartphones. Hans nya teknik använder ismall för att kontrollera strukturen hos den fasta elektrolyten för litiumbatterier som används i bärbar elektronik, elektriska fordon, och energilagring på nätnivå. Studien publiceras online den 24 april Nanobokstäver .

Flytande elektrolyt används för närvarande i kommersiella litiumbatterier, och, som alla nu vet, det är mycket brandfarligt, orsakar säkerhetsproblem med vissa bärbara datorer och andra elektroniska enheter. Yangs team undersökte idén om att använda fast elektrolyt som ett substitut för den flytande elektrolyten för att göra hel-solid-state litiumbatterier. De var intresserade av att använda ismall för att tillverka vertikalt inriktade strukturer av keramiska fasta elektrolyter, som ger snabba litiumjonbanor och är mycket ledande. De kylde vattenlösningen med keramiska partiklar från botten och lät sedan is växa och trycka iväg och koncentrera de keramiska partiklarna. De applicerade sedan ett vakuum för att överföra den fasta isen till en gas, lämnar en vertikalt inriktad struktur. Till sist, de kombinerade denna keramiska struktur med polymer för att ge mekaniskt stöd och flexibilitet till elektrolyten.

"I bärbara elektroniska enheter, samt elfordon, flexibla helsolid-state litiumbatterier löser inte bara säkerhetsproblemen, men de kan också öka batteriets energitäthet för transport och lagring. Och de visar mycket lovande när det gäller att skapa böjbara enheter, säger Yang, vars forskargrupp är inriktad på elektrokemisk energilagring och omvandling och termisk energihantering.

Forskare i tidigare studier använde antingen slumpmässigt dispergerade keramiska partiklar i polymerelektrolyt eller fiberliknande keramiska elektrolyter som inte är vertikalt inriktade. "Vi trodde att om vi kombinerade den vertikalt inriktade strukturen av den keramiska elektrolyten med polymerelektrolyten, vi skulle kunna tillhandahålla en snabb motorväg för litiumjoner och därmed förbättra konduktiviteten, " säger Haowei Zhai, Yangs doktorand och tidningens huvudförfattare. "Vi tror att detta är första gången någon har använt ismallmetoden för att göra flexibel fast elektrolyt, som är icke brandfarligt och ogiftigt, i litiumbatterier. Detta öppnar ett nytt tillvägagångssätt för att optimera jonledning för nästa generations uppladdningsbara batterier."

Dessutom, forskarna säger, denna teknik skulle i princip kunna förbättra batteriernas energitäthet:Genom att använda den fasta elektrolyten, litiumbatteriets negativa elektrod, för närvarande ett grafitskikt, kan ersättas med litiummetall, och detta kan förbättra batteriets specifika energi med 60 % till 70 %. Yang och Zhai planerar sedan att arbeta med att optimera egenskaperna hos den kombinerade elektrolyten och sätta ihop den flexibla fasta elektrolyten tillsammans med batterielektroder för att konstruera en prototyp av ett fullt litiumbatteri.

"Det här är en smart idé, " säger Hailiang Wang, biträdande professor i kemi vid Yale University. "Den rationellt utformade strukturen hjälper verkligen till att förbättra prestandan hos kompositelektrolyt. Jag tror att detta är ett lovande tillvägagångssätt."