Baterai lithium 'tenaga kuda' bisa lebih kuat berkat desain baru

"Apa yang kita miliki sekarang [dalam teknologi baterai lithium-ion] sebenarnya di batas kapabilitasnya," kata Archer. "Baterai lithium-ion, yang telah menjadi pekerja keras dalam menggerakkan teknologi elektronik baru, beroperasi pada lebih dari 90 persen dari kapasitas penyimpanan teoretisnya. Tweak teknik kecil dapat menyebabkan baterai yang lebih baik dengan lebih banyak penyimpanan, tetapi ini bukan solusi jangka panjang . "

"Anda perlu semacam perubahan pola pikir radikal," katanya, "dan itu berarti Anda harus mulai dari awal."

Snehashis "Sne" Choudhury, Ph.D. '18, telah datang dengan apa yang Archer istilah solusi "elegan" untuk masalah mendasar dengan baterai yang dapat diisi ulang yang menggunakan anoda lithium logam padat energi: kadang-kadang-bencana ketidakstabilan karena dendrit, yang duri dari lithium yang tumbuh dari anoda sebagai ion bergerak maju dan mundur melalui elektrolit selama siklus pengisian dan pengosongan.

Jika dendrit menerobos pemisah dan mencapai katoda, korsleting dan api dapat terjadi. Elektrolit padat telah ditunjukkan untuk menekan pertumbuhan dendrit secara mekanis, tetapi dengan mengorbankan transportasi ion cepat. Solusi Choudhury: membatasi pertumbuhan dendrit oleh struktur elektrolit itu sendiri, yang dapat dikontrol secara kimia.

Menggunakan prosedur reaksi kelompok Archer diperkenalkan pada tahun 2015, mereka menggunakan "cross-linked berbulu nanopartikel" - sebuah graft nanopartikel silika dan polimer difungsikan (polypropylene oksida) - untuk menciptakan elektrolit berpori yang secara efektif memperpanjang ion rute harus mengambil untuk melakukan perjalanan dari anoda ke katoda dan kembali, secara dramatis meningkatkan kehidupan anoda.

Makalah mereka, "Membatasi Elektrodeposisi Logam dalam Elektrolit Terstruktur," diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences . Choudhury dan Dylan Vu - jurusan teknik kimia yang sedang naik daun - adalah co-penulis pertama.

Choudhury, yang menuju ke Stanford University untuk pekerjaan postdoctoral, juga menemukan metode untuk visualisasi langsung dari inner kerja baterai eksperimental mereka. Kelompok ini mengkonfirmasi prediksi teoritis tentang pertumbuhan dendrit dengan perangkat Choudhury.

"Ini adalah sesuatu yang ingin saya lakukan, saya kira, tiga masa hidup mahasiswa Ph.D.," kata Archer, yang sudah berada di Cornell sejak tahun 2000, sambil tertawa. "Apa yang Sne bisa lakukan adalah mendesain sel yang memungkinkan kita, sangat elegan, memvisualisasikan apa yang terjadi pada antarmuka lithium-metal, memberi kita sekarang kemampuan untuk melampaui prediksi teoritis."

Hal baru lain dari karya ini, kata Archer, adalah "menjungkirkan sesuatu kanon" dalam ilmu baterai. Sudah lama dipegang bahwa, untuk menekan pertumbuhan dendrit, pemisah di dalam baterai harus lebih kuat dari logam yang sedang dicoba untuk ditekan, tetapi pemisah polimer berpori Choudhury - dengan ukuran pori rata-rata di bawah 500 nanometer - ditunjukkan untuk menangkap pertumbuhan.