Ett forskarlag vid Stanford och SLAC har tagit fram den första batterielektroden som kan läka sig självt, och öppnar därmed upp för en ny möjlig, kommersiell väg att tillverka nästa generations litiumjonbatterier för elbilar, mobiltelefoner och andra prylar.

Foto: Brad Plummer, SLAC.
Prototypen av ett litiumjonbatteri som innehåller en kiselelektrod, skyddad med en beläggning av en självläkande polymer, som har potentialen att öka batteriets laddning och livslängd.

– Hemligheten är en töjbar polymer som täcker elektroden, binder den samman och spontant läker små sprickor som utvecklas under batteriets drift, säger forskarlaget från Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator.

– "Self-healing” är mycket viktigt för överlevnaden och lång livslängden hos djur och växter, säger Chao Wang, vid Stanford och en av de två huvudsakliga författarna av rapporten. "We want to incorporate this feature into lithium ion batteries so they will have a long lifetime as well.”

Chao har utvecklat en självläkande polymer i ett labb som leds av Zhenan Bao, professor i kemiteknik vid Stanford, vars grupp har arbetat med flexibel elektronisk hud för användning i robotar, sensorer, proteser och andra applikationer. För batteriprojektet lade Chao till små nanopartiklar av kol för att få polymeren att leda elektricitet.

Elektroderna utsattes för cirka 100 laddnings- och urladdningscykler utan att nämnvärt förlora sin förmåga att lagra energi.

– Det är fortfarande ganska långt från målet på omkring 500 cykler för mobiltelefoner och 3.000 cykler för elektriska fordon, men möjligheten finns och från alla våra data ser det ut som om att det fungerar, säger Yi Cui, associate professor vid SLAC och Stanford som lett forskningen tillsammans med Bao.

Att tillverka ett mer flexibelt batteri
Forskare världen över tävlar om att hitta sätt att lagra mer energi i de negativa elektroderna i litiumjonbatterier för att uppnå högre prestanda och samtidigt minska vikten. Ett av de mest lovande elektrodmaterialen är kisel – det har en hög kapacitet för att suga åt sig litiumjoner från batterivätskan under laddning och sedan släppa ut dem när batteriet sätts i arbete .

– Men denna höga kapacitet har ett pri : Kiselelektroder sväller upp till tre gånger sin normala storlek och krympa ner igen varje gång batteriet laddas och urladdas . Det spröda materialet spricker snart och faller sönder vilket försämrar batteriets prestanda. Detta är ett problem för alla elektroder i högkapacitetsbatterier, säger Hui Wu , en före detta Stanford postdoc som nu är en lärare vid Tsinghua University i Peking , och den andra huvudförfattare till rapporten.

För att tillverka den självläkande beläggningen försvagade forskarna medvetet några av de kemiska bindningarna som finns i polymerernas långa, kedjeliknande molekyler. Det resulterande materialet lätt bryts ned men de brutna ändarna dras kemiskt till varandra och kopplas snabbt ihop igen och imiterar den process som gör att biologiska molekyler såsom DNA kopplas ihop, omordnar sig och bryts ner.

Forskare vid Cui´s labb och på andra håll har testat ett antal sätt att hålla kiselelektroder intakta och förbättra deras prestanda. Vissa utreds för kommersiellt bruk medan många andra involverar exotiska material och tillverkningstekniker som det är utmanande att kunna skala upp till produktionsnivåer.

– De självläkande elektroder som är gjorda av mikropartiklar i kisel och som ofta används inom halvledar- och solcellsindustrin är den första lösningen som verkar erbjuda en praktisk väg framåt, säger Cui.

Forskarna säger att de tror att detta tillvägagångssätt skulle kunna fungera även för andra elektrodmaterial och att de kommer att fortsätta att förfina tekniken för att förbättra kiselelektroders prestanda och livslängd.

I forskargruppen ingår också Zheng Chen och Matthew T. McDowell vid Stanford . Cui och Bao är medlemmar i Stanford Institute for Material and Energy Sciences , ett gemensamt SLAC/Stanford-institut. Forskningen har finansierats av Department of Energyenom SLAC's Laboratory Directed Research and Development program och av the Precourt Institute for Energy vid Stanford.

Filed under: Utländsk Teknik