En sliskig kur för sprickbenägna batterier med hög kapacitet

Om elbilar någonsin ska köra hundratals mil mellan laddningarna – som de måste för att konkurrera med gasdrivna bilar – kommer deras batterier att behöva lagra mycket mer energi. Tyvärr är flera av de mest lovande batterimaterialen med hög kapacitet benägna att gå sönder på ett sätt som skulle göra en elektrifierad bilresa kort.

Läkande krafter: Sprickor som bildas i en självläkande batterielektrod efter att den har laddats (överst) börjar täta igen efter fem timmar (nederst). Elektroden, en blandning av kiselmikropartiklar och en självläkande polymer, avbildades med hjälp av ett svepelektronmikroskop.

Nu har forskare vid Stanford University visat att en blandning av ett sådant lovande batterimaterial, kiselmikropartiklar, med självläkande polymerer hjälper till att förhindra att ett batteri med längre livslängd går sönder. De säger att de självläkande polymererna kan stabilisera andra lovande men skadebenägna batterimaterial.

Det självläkande batteriets negativa elektrod, eller anod, kombinerar kisel med polymerer som fungerar som kemiska dragkedjor, läkande sprickor som bildas när batteriet används och laddas.

Den självläkande batterielektroden har hittills testats med ren litiummetall som positiv elektrod, eftersom dess lagringskapacitet är mycket större än någon konventionell katod. Den självläkande elektroden i sig har åtta gånger så stor lagringskapacitet som kolanoderna som finns i ett konventionellt uppladdningsbart litiumjonbatteri. Om den paras ihop med en konventionell katod skulle den skapa ett batteri som lagrade cirka 40 procent mer energi. Om den paras ihop med en katod med motsvarande hög kapacitet, skulle den totala energilagringen fördubblas eller tredubblas.

Medan tidigare silikonbatterier bara kunde laddas ur och laddas 10 gånger innan de gick sönder, klarar det självläkande batteriet 100 laddningscykler. Men det är fortfarande inte tillräckligt, erkänner Stanfords materialforskare Yi Cui . Vi måste gå till 500 cykler för bärbar elektronik, och några tusen för elfordon, säger Cui.

Ändå kan Cuis tillvägagångssätt ge en ny väg framåt för lovande material som har stannat. Detta pekar på ett sätt att lösa ett allmänt problem med hög - kapacitetsanoder, säger Paul Braun , en materialvetare vid University of Illinois i Urbana-Champaign som inte är involverad i arbetet.

Kiselanoder tar in stora mängder litium när batteriet laddas och släpper ut allt litium när batteriet tas i bruk. Sådana anoder kan lagra mycket energi i ett litet utrymme, men deras höga kapacitet är ett ansvar när det gäller materialen de är gjorda av: när stora mängder litium kommer in i och lämnar batteriet, expanderar kislet och drar ihop sig, spricka anoderna första gången de används; samma sak händer med anoder gjorda av tenn och germanium.

För det självläkande batteriet samarbetade Cui med en annan Stanford-forskare, Zhenan Bao , som tidigare hade utvecklat självläkande elektronisk hud baserad på en stretchig, klibbig polymer (se Electric Skin that Rivals the Real Thing).

Nätdel: Denna prototyp litiumjonbattericell använder en självläkande silikonelektrod.

När polymeren spricker flyter den ihop igen. Gruppen blandade in några ledande kolpartiklar för att säkerställa att polymeren, som inte är ledande, inte skulle hindra flödet av elektricitet genom batteriet. Denna klibbiga blandning kombinerades sedan med kiselmikropartiklar för att göra en anod. När batteriet laddas och laddas ur expanderar kislet fortfarande, drar ihop sig och spricker, men polymeren drar ihop allt igen. Normalt, när anoden väl spricker, tappar du elektrisk kontakt, säger Cui. Den självläkande polymeren binder ihop de trasiga delarna igen.

Det finns andra sätt att hantera kisels tendens att spricka. Cuis grupp har experimenterat med nanostrukturerade former av kisel, inklusive nanotrådar, som tål belastningen av laddning och omladdning. Nanostrukturerade kiselanoder som denna utvecklas av Mer , ett företag i Sunnyvale, Kalifornien som Cui var med och grundade. Men forskare och företag lär sig fortfarande om dessa nanomaterial. Det är lätt att få tag på en liten flaska med nanostrukturerat kisel, men att göra 50 eller 60 ton till en rimlig kostnad är ett stort problem som inte har lösts, säger Braun.

Cui säger att kombinationen av mikropartiklar med den helande polymeren kan vara billigare och mer praktiskt för högkapacitetsbatterier än metoder som kräver dyra nanomaterial. Kiselmikropartiklarna som används i den självläkande batteridemonstrationen kan köpas från hyllan i stora mängder och är inte särskilt dyra.

Nancy sottos , en materialforskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign, har utvecklat ännu ett tillvägagångssätt: Sottos blandar kapslar av helande material med batterimaterialen. Ett sådant material är en bubbla som spricker för att frigöra ledande metall för att läka elektriska anslutningar i ett skadat batteri. Hennes grupp har gjort tidiga proof-of-concept-demonstrationer med denna metod.

Yuegang Zhang , en batteriforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory, säger att Stanfords självläkande bindemedel visar lovande för andra typer av batterimaterial med hög kapacitet, såsom tenn. Zhang har tagit ett annat tillvägagångssätt i sitt eget arbete, genom att blanda tennnanostrukturer med stretchig, stark, ledande grafen för att hålla samman anoderna. Med tanke på det lilla antalet gånger Cuis kiselbatterier kan laddas, säger han, kisel har fortfarande problem, men jag gillar den här idén.

Nu när de har gjort den första demonstrationen arbetar Cui och Bao på korrigeringar som skulle tillåta deras självläkande silikonbatteri att gå igenom fler laddningscykler. Vi har precis börjat, säger Cui.

Dölj