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"Arbeitspferd" Lithium-Batterie könnte durch neues Design leistungsfähiger sein
Jul 03, 2018
25. Juni 2018 von Tom Fleischman, Cornell University

Weitere Informationen: Snehashis Choudhury et al, Beschränkte elektrolytische Abscheidung von Metallen in strukturierten Elektrolyten, Proceedings der National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073 / pnas.1803385115  

Zur Verfügung gestellt von   Cornell Universität

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Lynden Archer, Professor für Chemietechnik an der Cornell University, glaubt, dass es eine Revolution in der Batterietechnologie geben muss - und glaubt, dass sein Labor eine der ersten Schüsse abgegeben hat.

 

"Was wir jetzt haben [in Lithium-Ionen-Batterie-Technologie] ist eigentlich an der Grenze seiner Fähigkeiten", sagte Archer. "Die Lithium-Ionen-Batterie, die zur treibenden Kraft bei neuen elektronischen Technologien geworden ist, arbeitet mit über 90 Prozent ihrer theoretischen Speicherkapazität. Geringfügige technische Verbesserungen können zu besseren Batterien mit mehr Speicher führen, aber dies ist keine langfristige Lösung . "

 

"Sie brauchen eine Art radikale Denkweise", sagte er, "und das bedeutet, dass Sie am Anfang fast anfangen müssen."

 

Snehashis "Sne" Choudhury, Ph.D. '18, hat sich das ausgedacht, was Archer eine "elegante" Lösung für ein grundlegendes Problem mit wiederaufladbaren Batterien nennt, die energiereiche metallische Lithiumanoden verwenden: manchmal katastrophale Instabilität aufgrund von Dendriten, bei denen es sich um Lithiumstacheln handelt, die von der Anode her wachsen Ionen wandern während des Lade- und Entladezyklus durch den Elektrolyten hin und her.

Wenn der Dendrit den Separator durchbricht und die Kathode erreicht, kann es zu Kurzschlüssen und Bränden kommen. Es wurde gezeigt, dass feste Elektrolyte das Wachstum von Dendriten mechanisch unterdrücken, jedoch auf Kosten eines schnellen Ionentransports. Choudhurys Lösung: Beschränke das Dendritenwachstum durch die Struktur des Elektrolyten selbst, die chemisch gesteuert werden kann.

 

Mit einem Reaktionsverfahren, das die Archer-Gruppe 2015 einführte, verwenden sie "vernetzte haarige Nanopartikel - ein Implantat aus Silica-Nanopartikeln und einem funktionalisierten Polymer (Polypropylenoxid) -, um einen porösen Elektrolyten zu erzeugen, der die Route effektiv verlängert die Anode zur Kathode und zurück, dramatisch die Lebensdauer der Anode zu erhöhen.

 

Ihre Arbeit "Confining Electrodeposition of Metals in Structured Electrolytes" wurde in Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht . Choudhury und Dylan Vu - ein aufstrebender Junior mit dem Schwerpunkt Chemieingenieurwesen - sind Mitautoren.

 

Choudhury, der für seine Postdoktorandenarbeit an die Stanford University geht, entwickelte auch eine Methode zur direkten Visualisierung der inneren Funktionsweise ihrer experimentellen Batterie. Die Gruppe bestätigte theoretische Vorhersagen über Dendritenwachstum mit Choudhury's Gerät.

 

"Das ist etwas, was ich, glaube ich, drei Lebensläufe von Doktoranden machen wollte", sagte Archer, der seit 2000 in Cornell ist, mit einem Lachen. "Was Sne tun konnte, war eine Zelle zu entwerfen, die es uns sehr elegant ermöglichte, zu visualisieren, was an der Lithium-Metall-Grenzfläche vor sich geht, und uns so die Möglichkeit gibt, über theoretische Vorhersagen hinauszugehen."

 

Ein weiteres Novum dieser Arbeit, so Archer, sei "ein gewisser Kanon" in der Batteriewissenschaft. Es wurde lange behauptet, dass der Separator innerhalb der Batterie stärker sein muss, um das Wachstum von Dendriten zu unterdrücken, während der poröse Polymerseparator von Choudhury - mit durchschnittlichen Porengrößen unter 500 Nanometer - das Wachstum stoppt .