Från smartphones till elfordon, många av dagens teknik körs på litiumjonbatterier. Det betyder att konsumenterna måste ha sina laddare till hands. Ett iPhone X -batteri håller bara i 21 timmars samtalstid, och Teslas modell S har en räckvidd på 335 mil-vilket innebär att du kan förvänta dig att göra det från Newark, Delaware till Providence, Rhode Island, men inte hela vägen till Boston, på en laddning.

Forskare över hela världen - inklusive även uppfinnaren av litiumjonbatterier själv, John Goodenough - letar efter sätt att göra uppladdningsbara batterier säkrare, lättare, och kraftfullare.

Nu, ett internationellt team av forskare under ledning av Bingqing Wei, professor i maskinteknik vid University of Delaware och chef för Center for Fuel Cells and Batteries, gör arbete som kan lägga grunden för en mer utbredd användning av litiummetallbatterier som skulle ha mer kapacitet än litiumjonbatterierna som vanligtvis används i konsumentelektronik idag. Teamet utvecklade en metod för att mildra dendritbildning i litiummetallbatterier, som de har beskrivit i ett papper publicerat i Nano bokstäver .

Löfte (och fallgropar) för litiummetallbatterier

I ett litiumjonbatteri, anoden, eller strömgenererande sida, är gjord av ett material, som grafit, med litiumjoner bundna till den. Litiumjonerna flödar till katoden, eller ströminsamlande sida.

I ett litiummetallbatteri, anoden är gjord av litiummetall. Elektroner flyter från anoden till katoden för att generera elektricitet. Laddningsbara batterier av litiummetall håller mycket lovande eftersom litium är den mest elektriskt positiva metallen och har en mycket hög kapacitet.

"Teoretiskt sett litiummetall är ett av de bästa valen för batterier, men det är svårt att hantera i praktiken, "Sa Wei.

Litiummetallbatterier har varit ineffektiva, instabil, och till och med en brandrisk hittills. Deras prestanda försvåras av litiumdendriter, formationer som ser ut som små stalagmiter gjorda av litiumavlagringar. När ett batteri används, litiumjoner samlas på anoden. Över tid, litiumavlagringar blir ojämna, som leder till bildandet av dessa dendriter, vilket kan orsaka kortslutning av batteriet.

En ny förståelse

Forskargrupper runt om i världen har försökt en mängd olika tekniker för att undertrycka bildandet och tillväxten av dessa dendriter. Efter att ha studerat litteraturen, Wei hade funnit att nästan alla tekniker som tillämpades kunde förstås under ett paraply:Att införa ett lager av poröst material i systemet kan avskräcka dendriter från att samlas på anoden.

Med hjälp av matematisk modellering, forskargruppen fann att ett poröst material undertryckte initiering och tillväxt av dendriter. Dendriterna som bildades var 75 procent kortare än de som bildades i system som saknade det porösa membranet. För att ytterligare bevisa fyndet, laget tillverkade ett membran av små trådar av poröst kiselnitrid som mätte mindre än en miljonedel av en meter vardera. De integrerade sedan detta membran i litiummetallceller i ett batteri och körde det i 3, 000 timmar. Inga dendriter växte.

"Denna grundläggande förståelse är kanske inte begränsad till den kiselnitrid vi använde, "Sade Wei." Andra porösa strukturer kan också göra detta. "

Vad mer, denna princip kan även gälla andra batterisystem, såsom zink- eller kaliumbaserade batterier, han sa.

"Inom detta område av metallbaserade batterier, detta är aktuell förståelse, "sa han." Det här är den typen av arbete som kan få stor inverkan. "