За многие часы работы эти дендриты растут, чтобы охватить пространство между отрицательным и положительным электродом, вызывая срывание и потенциальной угрозой безопасности.Современная технология сосредотачивается на управлении этими дендритами, поднимая механически сильный барьер, обычно керамический сепаратор, между отрицанием и положительными электродами, чтобы ограничить движение дендрита. Относительная непроводимость и уязвимость таких барьеров, однако, означают, что батарея должна управляться при высокой температуре и подвержена неудаче, когда барьер раскалывается.Но команда Корнелла, во главе с химическим и биомолекулярным техническим преподавателем Стрелец Линдена и аспирант Снехэшис Чоудхури, предложила в недавнем исследовании, чтобы, проектируя наноструктурировал мембраны с размерами поры ниже критического значения, возможно остановить рост дендритов в литиевых батареях при комнатной температуре.
«Проблема с керамикой состоит в том, что это решение «в лоб» ставит под угрозу проводимость», сказал Арчер, Семья директора и Джеймса А. Фринда Уильяма К. Хуи Выдающийся профессор Разработки и директор Школы Роберта Фредерика Смита Химической и Биомолекулярной Разработки.«Это означает, что батареи, которые используют керамику, должны управляться при очень высоких температурах – 300 – 400 градусов Цельсия [572 – 752 градуса по Фаренгейту], в некоторых случаях», сказал Арчер. «И очевидная проблема, которая приносит, как я помещаю это в свой iPhone?»Вы не делаете, конечно, но с технологией, которую группа Стрельца выдвинула, создав очень эффективную литиевую металлическую батарею для сотового телефона, или другое устройство могло быть действительностью в не слишком отдаленном будущем.
Стрелец приписывает Чоудхури идентификацию окиси полиэтилена полимера как особенно многообещающему. Идея состояла в том, чтобы использовать в своих интересах «волосатые» наночастицы, созданные, привив окись полиэтилена на кварц, чтобы сформировать наноразмерные органические гибридные материалы (NOHMs), Стрелец материалов и его коллеги учились в течение нескольких лет, чтобы создать нанопористые мембраны.Чтобы отфильтровать дендриты, ограниченный наночастицей PEO поперечный связан с другим полимером, окисью полипропилена, чтобы привести к механически прочным мембранам, которые легко пропитаны с жидкими электролитами. Это производит структуры с хорошей проводимостью при комнатной температуре, все еще предотвращая древовидный рост.
«Вместо ‘стены’, чтобы заблокировать быстрое увеличение дендритов, мембраны обеспечили пористые СМИ, через которые ионы проходят с промежутками поры, являющимися достаточно маленьким, чтобы ограничить древовидное проникновение», сказал Чоудхури. «С этим наноструктурированным электролитом мы создали материалы с хорошей механической силой и хорошей ионной проводимостью при комнатной температуре».Группа Арчера подготовила исполнение своих crosslinked наночастиц против других материалов от ранее изданной работы и определила «с этим мембранным дизайном, мы в состоянии подавить древовидный рост более эффективно что что-либо еще в области. Это – крупное достижение», сказал Арчер.
Одна из лучших вещей об этом открытии, Арчер сказал, то, что это – «общедоступное решение», означая, что технология батареи не должна была бы быть радикально изменена, чтобы включить его.«Мембрана может быть включена с батареями во множестве форм-факторов, так как она похожа на краску – и мы можем нарисовать поверхность электродов любой формы», добавил Чоудхури.
Это решение также открывает дверь для других заявлений, сказал Арчер.«Структуры, которые создал Snehashis, могут быть столь же эффективными с батареями на основе других металлов, такими как натрий и алюминий, которые являются более богатыми землей и менее дорогими, чем литий и также ограниченные дендритами», сказал Арчер.Работа группы, «Очень обратимый литий комнатной температуры металлическая батарея на основе crosslinked волосатых наночастиц», была опубликована 4 декабря по своей природе Коммуникации. Все четыре члена группы, включая докторантов Рахула Мангэла и Акэнкшу Агроэла, способствовали бумаге.
Работа группы Стрельца была поддержана Подразделением Национальным научным фондом Исследования Материалов и грантом из Университета короля Абдуллы Науки и техники в Саудовской Аравии. Исследование использовало Корнелла Высокий энергетический Источник Синхротрона, который также поддержан NSF.