Forscher haben eine neue Konstruktionsweise entwickelt Lithium-Ionen-Batterien Dies könnte den Weg für eine stärkere Energiedichte, Leistung und Batteriesicherheit ebnen, je nach ein Bericht aus Penn State.
Die Festelektrolyt-Interphase
Zwischen dem Lithiummetall der Batterie und ihren Elektrolyten befindet sich die Festelektrolyt-Interphase SEI, die seit Jahren ein Hindernis für die Entwicklung leistungsfähigerer Batterien darstellt.
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Es besteht eine zunehmende Nachfrage nach höheren Energiedichten in wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien, da sich deren Verwendung auf alle Arten von elektronischen Geräten ausbreitet. Handys für Elektrofahrzeuge, und daher ist der SEI natürlich einer der Orte, an denen Forscher versuchen werden, die Leistung zu verbessern.
"Diese Schicht ist sehr wichtig und wird auf natürliche Weise durch die Reaktion zwischen dem Lithium und dem Elektrolyten in der Batterie gebildet", sagte Donghai Wang, Professor für Maschinenbau und Chemieingenieurwesen am Penn State. "Aber sie verhält sich nicht sehr gut.das verursacht viele Probleme. "
Schaffung einer besseren Festelektrolyt-Interphase
Die Probleme beginnen, wenn sich der SEI zu verschlechtern beginnt. Im Laufe der Zeit bilden sich Dendriten, nadelartige Wucherungen auf der Lithiumelektrode der Batterie, die ihre Leistung und Sicherheit allmählich beeinträchtigen.
"Aus diesem Grund halten Lithiummetallbatterien nicht länger - die Zwischenphase wächst und ist nicht stabil", sagte Wang. "In diesem Projekt haben wir einen Polymerverbund verwendet, um einen viel besseren SEI zu erzielen."
Unter der Leitung von Yue Gao, einem Doktoranden der Chemie am Penn State, stellten die Ingenieure einen neuen SEI her, einen reaktiven Polymerverbundstoff aus polymerem Lithiumsalz, Lithiumfluorid-Nanopartikeln und Graphenoxid-Schichten.
Thomas E. Mallouk, Professor für Chemie an der Evan Pugh-Universität, unterstützte das Projekt bei der Herstellung der dünnen Materialschichten.
"Es ist eine Menge Kontrolle auf molekularer Ebene erforderlich, um eine stabile Lithium-Grenzfläche zu erreichen", sagte Mallouk. "Das von Yue und Donghai entworfene Polymer reagiert, um eine klauenartige Bindung an die Lithiummetalloberfläche herzustellen. Es gibtdie Lithiumoberfläche passiv, was sie will, damit sie nicht mit den Molekülen im Elektrolyten reagiert. Die Nanoblätter im Verbundwerkstoff wirken als mechanische Barriere, um die Bildung von Dendriten aus dem Lithiummetall zu verhindern. "
Dies wurde erreicht, indem die Oberfläche des Lithiums auf der Ebene einzelner Atome und Moleküle kontrolliert wurde, was den Erfolg des Projekts ermöglichte.
"Wenn wir Batterien konstruieren, denken wir nicht unbedingt wie Chemiker bis hinunter zur molekularen Ebene, aber genau das mussten wir hier tun", sagte Mallouk.
"Mit einem stabileren SEI ist es möglich, die Energiedichte aktueller Batterien zu verdoppeln, während sie länger halten und sicherer sind", sagte Wang.
Die Forschung wurde veröffentlicht heute im Tagebuch Naturmaterialien .