Kommer flytande kristaller som elektrolyter i litiumjonbatterier att göra det möjligt att skapa stabila litiummetallceller?

En intressant studie från Carnegie Mellon University. Forskare har föreslagit att använda flytande kristaller i litiumjonceller för att öka deras energitäthet, stabilitet och laddningskapacitet. Arbetet har ännu inte avancerat, så vi väntar i minst fem år på att de ska slutföras – om det är möjligt.

Flytande kristaller revolutionerade bildskärmar, nu kan de hjälpa batterierna

innehållsförteckning

• Flytande kristaller revolutionerade bildskärmar, nu kan de hjälpa batterierna
  • Flytande kristaller som ett knep för att få flytande-fast elektrolyt

Kort sagt: Tillverkare av litiumjonceller vill nu öka energitätheten hos cellerna samtidigt som de bibehåller eller förbättrar deras prestanda, inklusive till exempel att öka stabiliteten vid högre laddningseffekter. Tanken är att batterierna ska vara lättare, säkrare och snabbare att ladda. Lite som den snabbt-billiga-bra triangeln.

Ett av sätten att avsevärt öka den specifika energin hos celler (med 1,5-3 gånger) är att använda litiummetallanoder (Li-metall).. Inte från kol eller kisel, som tidigare, utan från litium, grundämnet som är direkt ansvarigt för cellens kapacitet. Problemet är att detta arrangemang snabbt utvecklar litiumdendriter, metallutsprång som så småningom förbinder de två elektroderna och skadar dem.

Flytande kristaller som ett knep för att få flytande-fast elektrolyt

Arbete pågår för närvarande med att förpacka anoder i olika material för att bilda ett yttre skal som tillåter flödet av litiumjoner men som inte tillåter fasta strukturer att växa. En potentiell lösning på problemet är också användningen av en fast elektrolyt - en vägg genom vilken dendriterna inte kan tränga igenom.

Forskare vid Carnegie Mellon University tog ett annat tillvägagångssätt: de vill stanna med beprövade flytande elektrolyter, men baserat på flytande kristaller. Flytande kristaller är strukturer som ligger halvvägs mellan flytande och kristaller, det vill säga fasta ämnen med en ordnad struktur. Flytande kristaller är flytande, men deras molekyler är högst ordnade (källa).

På molekylär nivå är strukturen hos flytande kristallelektrolyt helt enkelt en kristallin struktur och blockerar således tillväxten av dendriter. Vi har dock fortfarande att göra med en vätska, det vill säga en fas som låter joner flöda mellan elektroderna. Dendrittillväxt blockeras, belastningar måste flyta.

Studien nämner inte detta, men flytande kristaller har en annan viktig egenskap: efter att spänning applicerats på dem kan de ordnas i en specifik ordning (som du kan se, till exempel genom att titta på dessa ord och gränsen mellan svarta bokstäver och den ljusa bakgrunden). Så det kan vara så att när cellen börjar laddas kommer flytande kristallmolekylerna att placeras i en annan vinkel och "skrapa" dendritiska avlagringar från elektroderna.

Visuellt kommer detta att likna att stänga flikarna, säg, i ett ventilationshål.

Nackdelen med situationen är det Carnegie Mellon University har precis påbörjat forskning om nya elektrolyter.. Det är redan känt att deras stabilitet är lägre än för konventionella flytande elektrolyter. Cellnedbrytning sker snabbare, och det är inte den riktningen som intresserar oss. Det är dock möjligt att problemet kommer att lösas med tiden. Dessutom förväntar vi oss inte förekomsten av föreningar i fast tillstånd före den andra hälften av decenniet:

> LG Chem använder sulfider i fasta celler. Kommersialisering av fast elektrolyt tidigast 2028.

Introduktionsfoto: Litiumdendriter bildas på elektroden i en mikroskopisk litiumjoncell. Den stora mörka figuren på toppen är den andra elektroden. Den initiala "bubblan" av litiumatomer skjuter upp någon gång och skapar en "whisker" som är grunden för den framväxande dendriten (c) PNNL Unplugged / YouTube:

Detta kan intressera dig: