Litium-metallbatterier – som kan hålla upp till 10 gånger mer laddning än de litiumjonbatterier som för närvarande driver våra telefoner, bärbara datorer och bilar – har inte kommersialiserats på grund av ett fatalt fel:eftersom dessa batterier laddas och laddas ur, litium avsätts ojämnt på elektroderna. Denna uppbyggnad förkortar livslängden för dessa batterier för korta för att göra dem livskraftiga, och ännu viktigare, kan få batterierna att kortsluta och fatta eld.

Nu, forskare vid University of Illinois i Chicago har utvecklat en lösning på detta problem i form av ett grafenoxidbelagt 'nanoark' som, när de placeras mellan de två elektroderna på ett litiummetallbatteri, förhindrar ojämn plätering av litium och låter batteriet fungera säkert under hundratals laddnings-/urladdningscykler. De rapporterar sina resultat i tidskriften Avancerade funktionella material .

"Våra resultat visar att tvådimensionella material - i det här fallet, grafenoxid – kan hjälpa till att reglera litiumavlagringen på ett sådant sätt som förlänger livslängden på litiummetallbatterier, " sa Reza Shahbazian-Yassar, docent i maskin- och industriteknik vid UIC College of Engineering och motsvarande författare till uppsatsen.

Litium-metallbatterier är så användbara på grund av sin höga energitäthet och relativt låga vikt jämfört med konventionella batterier. Dock, under loppet av många laddnings-urladdningscykler, litium byggs upp ojämnt på batteriets litiummetallelektrod i ett förgrenat eller "dendritiskt" mönster och gör att batteriet slutligen dör. Om dendriterna växer genom elektrolytlösningen och kommer i kontakt med den andra elektroden, då kan batteriet råka ut för en katastrofal händelse – med andra ord, en explosion eller brand.

I litiumjonbatterier, en separator placeras i elektrolyten. Vanligtvis gjord av en porös polymer eller glaskeramiska fibrer, separatorn tillåter litiumjoner att flöda igenom samtidigt som de andra komponenterna hålls blockerade för att förhindra elektriska kortslutningar, som kan leda till bränder.

Reza och kollegor använde en modifierad separator i ett litium-metallbatteri för att modulera flödet av litiumjoner för att kontrollera hastigheten för litiumavsättning och se om de kunde förhindra att dendriter bildas. De sprutade en glasfiberseparator med grafenoxid, producerar vad de kallade ett nanoark.

Genom att använda svepelektronmikroskopi och andra avbildningstekniker, forskarna visade att när nanoskivan användes i ett litium-metallbatteri, en enhetlig film av litium bildad på litiumelektrodens yta, vilket faktiskt förbättrar batterifunktionen och gör batteriet mycket säkrare, sa Tara Foroozan, en doktorand vid UIC College of Engineering och första författare på denna studie.

Molekylära simuleringar, ledd av ett team av forskare från Texas A &M University, föreslog att litiumjonerna tillfälligt binds till grafenoxiden, och diffunderar sedan genom områden med nanoskopiska defekter i arket. Detta fördröjer passagen av litiumjoner tillräckligt mycket för att förhindra bildandet av dendritisk avsättning av litium på elektroden.

"Nanoskiktet saktar ner passagen av litiumjoner tillräckligt mycket för att möjliggöra mer enhetlig plätering på litiumjoner över elektrodens yta, som hjälper till att bevara batteritiden, sa Reza.

Resultat av fasfältsmodelleringsberäkningar ledda av Farzad Mashayek, professor och chef för maskin- och industriteknik vid UIC College of Engineering och en författare på papper, indikerade att grafenoxid också mekaniskt kan undertrycka tillväxten av litiumdendriter.

"Vi visar att tvådimensionella grafenoxidmaterial kan hindra bildningen av dendriter genom att ändra hastigheten för litiumjondiffusion när de passerar genom grafenoxidlagren, ", sa Shahbazian-Yassar. "Denna metod har mycket stor potential för industriell tillämpning och skalbarhet."