Framgången för elbilsbatterier beror på de mil som kan köras på en laddning, men den nuvarande skörden av litiumjonbatterier når sin naturliga gräns för hur mycket laddning som kan packas i ett givet utrymme, hålla förare på kort tjuder. Nu, forskare vid University of Maryland (UMD), U.S. Army Research Laboratory (ARL), och Argonne National Laboratory (ANL) har listat ut hur man kan öka ett uppladdningsbart batteris kapacitet genom att använda aggressiva elektroder och sedan stabilisera dessa potentiellt farliga elektrodmaterial med en högfluorerad elektrolyt.

En peer-reviewed artikel baserad på forskningen publicerades den 16 juli i tidskriften Naturens nanoteknik .

"Vi har skapat en fluorbaserad elektrolyt för att möjliggöra en litium-metallanod, som är känt för att vara notoriskt instabil, och demonstrerade ett batteri som räcker upp till tusen cykler med hög kapacitet, " sa medförfattarna Xiulin Fan och Long Chen, postdoktorala forskare vid UMD:s A. James Clark School of Engineering.

De nya batterierna kan alltså laddas och laddas ur många gånger utan att förlora förmågan att ge en tillförlitlig och högkvalitativ energiström. Även efter tusen laddningscykler, de fluorförstärkta elektrolyterna säkerställde 93 % av batterikapaciteten, som författarna kallar "utan motstycke". Detta innebär att en bil som körs med denna teknik på ett tillförlitligt sätt skulle köra samma antal mil i många år.

"Cykellivslängderna de uppnådde med de givna elektrodmaterialen och driftspänningsfönstren låter "oöverträffad." Detta arbete är ett [sic] stort framsteg på batteriområdet i riktning mot att öka energitätheten, även om ytterligare justering kan behövas för att uppfylla olika standarder för kommersialisering, " sa Jang Wook Choi, en docent i kemi- och biologisk teknik vid Seoul National University i Sydkorea. Choi var inte involverad i forskningen.

Teamet demonstrerade batterierna i form av en knappcell som ett klockbatteri för testning och arbetar med industripartners för att använda elektrolyterna för ett högspänningsbatteri.

Dessa aggressiva material, såsom litiummetallanod och nickel- och högspänningskatodmaterial, kallas sådana eftersom de reagerar starkt med annat material, vilket betyder att de kan hålla mycket energi men också tenderar att "äta upp" alla andra element som de samarbetar med, gör dem oanvändbara.

Chunsheng Wang, professor vid Clark Schools avdelning för kemi- och biokemisk teknik, har samarbetat med Kang Xu på ARL och Khalil Amine på ANL om dessa nya elektrolytmaterial för batterier. Eftersom varje element i det periodiska systemet har ett annat arrangemang av elektroner, Wang studerar hur varje permutation av kemisk struktur kan vara en fördel eller nackdel i ett batteri. Han och Xu leder också ett samarbete mellan industri-universitet och regering som kallas Center for Research in Extreme Batteries, som syftar till att förena företag som behöver batterier för ovanligt bruk med de forskare som kan uppfinna dem.

"Syftet med forskningen var att övervinna kapacitetsbegränsningen som litiumjonbatterier upplever. Vi identifierade att fluor är nyckelingrediensen som säkerställer att dessa aggressiva kemikalier beter sig reversibelt för att ge lång batterilivslängd. En ytterligare fördel med fluor är att det gör vanligtvis brännbara elektrolyter helt oförmögna att fatta eld, " sa Wang.

Teamet filmade flera battericeller som brinner på ögonblick, men fluorbatteriet var ogenomträngligt.

Den höga populationen av fluorhaltiga arter i mellanfaserna är nyckeln till att få materialet att fungera, även om resultaten har varierat för olika forskare tidigare när det gäller fluoreringen.

"Du kan hitta bevis från litteratur som antingen stöder eller ogillar fluor som bra ingrediens i interfaser, sa Xu, laborant och teamledare för forskningen vid ARL. "Det vi lärde oss i det här arbetet är att i de flesta fall är det inte bara vilka kemiska ingredienser du har i mellanfasen, men hur de är ordnade och fördelade."