Hemligheten bakom batterier med längre livslängd kan ligga i hur tvål fungerar, enligt en ny studie

Forskare visar att ett av de mest lovande ämnena för att konstruera litiumbatterier med längre livslängd bildar micellliknande strukturer som de gör i tvål. Kredit: Yue Qi
Forskare visar att ett av de mest lovande ämnena för att konstruera litiumbatterier med längre livslängd bildar micellliknande strukturer som de gör i tvål. Kredit: Yue Qi

När det gäller att tillverka batterier som håller längre tror ett forskarlag med ingenjörer från Brown University och Idaho National Laboratory att nyckeln kan ligga i hur saker blir rena – specifikt hur tvål fungerar i den här processen.

Ta till exempel handtvätt. När någon tvättar händerna med tvål bildar tvålen strukturer som kallas miceller och som fångar upp och avlägsnar fett, smuts och bakterier när de sköljs med vatten. Tvålen gör detta eftersom den fungerar som en brygga mellan vattnet och det som ska tvättas bort, genom att binda dem och linda in dem i dessa micellstrukturer.

I en ny studie som nu publiceras i Nature Materials har forskarna noterat att en liknande process äger rum i vad som har blivit ett av de mest lovande ämnena för att konstruera litiumbatterier med längre livslängd – en ny typ av elektrolyt som kallas en lokaliserad högkoncentrationselektrolyt. Den nya förståelsen för hur denna process fungerar kan vara den saknade pusselbiten för att helt öppna dörren till denna framväxande tekniksektor.

”Den stora bilden är att vi vill förbättra och öka energidensiteten för batterier, vilket innebär hur mycket energi de lagrar per cykel och hur många cykler batteriet håller”, säger Yue Qi, professor vid Browns School of Engineering. ”För att göra detta måste material inuti traditionella batterier bytas ut för att göra batterier med lång livslängd som lagrar mer energi till verklighet – tänk batterier som kan driva en telefon i en vecka eller mer, eller elfordon som går i 500 miles.”

Forskare har aktivt arbetat för att övergå till batterier tillverkade av litiummetall eftersom de har en mycket högre energilagringskapacitet än dagens litiumjonbatterier. Hinder är traditionella elektrolyter, som är viktiga eftersom de gör det möjligt för en elektrisk laddning att passera mellan batteriets två poler, vilket utlöser den elektrokemiska reaktion som behövs för att omvandla lagrad kemisk energi till elektrisk energi. Traditionella elektrolyter för litiumjonbatterier, som i huvudsak består av lågkoncentrerat salt upplöst i ett flytande lösningsmedel, gör inte detta på ett effektivt sätt i metallbaserade batterier.

Forskare vid Idaho National Laboratory och Pacific Northwest National Laboratory har utvecklat lokala högkoncentrerade elektrolyter för att möta denna utmaning. De tillverkas genom att man blandar höga koncentrationer av salt i lösningsmedel med en annan vätska som kallas utspädningsmedel, vilket gör att elektrolyten flyter bättre så att batteriets effekt kan bibehållas.

Hittills har denna nya typ av elektrolyt visat lovande resultat i laboratorietester, men hur den fungerar och varför har aldrig helt klarlagts – vilket sätter ett tak för hur effektiv den kan vara och hur den kan utvecklas bättre. Det är detta som den nya studien hjälper till att ta itu med.

”Artikeln ger en enhetlig teori om varför den här elektrolyten fungerar bättre och den viktigaste förståelsen för det kom genom att upptäcka att micellliknande strukturer bildas i denna elektrolyt – som de gör med tvål”, säger Bin Li, en seniorforskare vid Oak Ridge National Laboratory som arbetade med studien. ”Här ser vi att rollen som tvål eller ytaktivt ämne spelas av lösningsmedlet som binder både spädningsmedlet och saltet, och lindar sig runt saltet med högre koncentration i micellens mitt.”

Genom att förstå detta kunde forskarna bryta ner de förhållanden och koncentrationer som behövdes för att åstadkomma de optimala reaktionerna för batterierna. Detta bör bidra till att lösa ett av de största problemen med att konstruera denna elektrolyt, vilket är att hitta rätt balans för de tre ingredienserna. Faktum är att arbetet inte bara ger bättre riktlinjer för att tillverka lokaliserade högkoncentrerade elektrolyter som fungerar, utan även för att tillverka sådana som fungerar ännu mer effektivt.

Forskare vid Idaho National Laboratory omsatte teorin i praktiken. De fann att teorin, så här långt, håller och bidrar till att förlänga livslängden för litiummetallbatterier. Teamet är spänt på att se vad deras arbete kommer att leda till för design av lokala högkoncentrerade elektrolyter, men vet att det återstår betydande framsteg för att övervinna flaskhalsen i elektrolytdesignen för batterier med hög densitet. Just nu är de roade över att hemligheten kan ha funnits i något så vardagligt som tvål.

”Micellkonceptet må vara nytt för elektrolyten, men det är faktiskt mycket vanligt i vårt dagliga liv”, säger Qi. ”Nu har vi en teori och vi har riktlinjer för att få de interaktioner vi vill ha från saltet, lösningsmedlet och spädningsmedlet i elektrolyten, och vilken koncentration de måste ha och hur man blandar dem.”

Ytterligare information: Corey M. Efaw et al, Localized high-concentration electrolytes get more localized through micelle-like structures, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01700-3

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.