Forskare från Rice University har skapat ett laddningsbart litiummetallbatteri med tre gånger så stor kapacitet som kommersiella litiumjonbatterier genom att lösa något som länge har stött på forskare:dendritproblemet.

Risbatteriet lagrar litium i en unik anod, en sömlös hybrid av grafen och kolnanorör. Materialet som först skapades på Rice 2012 är i huvudsak en tredimensionell kolyta som ger riklig yta för litium att befolka.

Själva anoden närmar sig det teoretiska maximum för lagring av litiummetall samtidigt som den motstår bildningen av skadliga dendriter eller "mossiga" avlagringar.

Dendriter har lurat försök att ersätta litiumjon med avancerade litiummetallbatterier som håller längre och laddas snabbare. Dendriter är litiumavlagringar som växer in i batteriets elektrolyt. Om de överbryggar anoden och katoden och skapar en kortslutning, batteriet kan gå sönder, fatta eld eller till och med explodera.

Risforskare ledda av kemisten James Tour fann att när de nya batterierna laddas, litiummetall täcker den mycket ledande kolhybriden jämnt i vilken nanorör är kovalent bundna till grafenytan.

Som rapporterats i tidskriften American Chemical Society ACS Nano , hybriden ersätter grafitanoder i vanliga litiumjonbatterier som byter kapacitet mot säkerhet.

"Litiumjonbatterier har förändrat världen, ingen tvekan, " Tour sa, "men de är ungefär så bra som de kommer att bli. Din mobiltelefons batteri räcker inte längre förrän ny teknik kommer."

Han sa att den nya anodens nanorörsskog, med sin låga densitet och stora yta, har gott om plats för litiumpartiklar att glida in och ut när batteriet laddas och laddas ur. Litiumet är jämnt fördelat, sprida ut strömmen som bärs av joner i elektrolyten och undertrycka tillväxten av dendriter.

Även om prototypbatteriets kapacitet begränsas av katoden, anodmaterialet uppnår en litiumlagringskapacitet på 3, 351 milliampere timmar per gram, nära det teoretiska maximumet och 10 gånger det för litiumjonbatterier, sa Tour. På grund av den låga densiteten hos nanorörsmattan, litiums förmåga att täcka hela vägen ner till underlaget säkerställer maximal användning av den tillgängliga volymen, han sa.

Forskarna hade sitt "Aha!" ögonblick 2014, när medförfattaren Abdul-Rahman Raji, en före detta doktorand i Tours labb och nu postdoktor vid University of Cambridge, började experimentera med litiummetall och grafen-nanorörhybriden.

"Jag resonerade att litiummetall måste ha pläterats på elektroden medan jag analyserade resultat från experiment som utfördes för att lagra litiumjoner i anodmaterialet kombinerat med en litiumkoboltoxidkatod i en full cell, ", sa Raji. "Vi var exalterade eftersom spänningsprofilen för hela cellen var mycket platt. Vid det tillfället, vi visste att vi hade hittat något speciellt."

Inom en vecka, Raji och medförfattare Rodrigo Villegas Salvatierra, en Rice-postdoktor, deponerade litiummetall i en fristående hybridanod så att de kunde titta närmare med ett mikroskop. "Vi blev förvånade över att inte hitta några dendriter odlade, och resten är historia, sa Raji.

För att testa anoden, Rice lab byggde fulla batterier med svavelbaserade katoder som bibehöll 80 procent kapacitet efter mer än 500 laddnings-urladdningscykler, ungefär två års användning för en normal mobiltelefonanvändare, sa Tour. Elektronmikroskopbilder av anoderna efter testning visade inga tecken på dendriter eller de mossliknande strukturer som har observerats på platta anoder. För blotta ögat, anoderna i de kvartsstora batterierna var mörka när de var tomma på litiummetall och silver när de var fulla, rapporterade forskarna.

"Många som gör batteriforskning gör bara anoden, för att göra hela paketet är mycket svårare, " Tour sade. "Vi var tvungna att utveckla en motsvarande katodteknologi baserad på svavel för att rymma dessa ultrahöga kapacitet litiumanoder i första generationens system. Vi producerar dessa fulla batterier, katod plus anod, i pilotskala, och de testas."