Under de senaste åren har forskare försökt utveckla alltmer avancerade batteritekniker som kan laddas snabbare och lagra mer energi, samtidigt som de är säkra och stabila över tid. Litium-metallbatterier (LMB), som innehåller en litium-metallbaserad anod, har visat sig vara lovande alternativ till litiumjonbatterier (LiB), som för närvarande är de mest använda uppladdningsbara batterierna.
En viktig fördel med LMB är att de kan lagra betydligt mer energi än LiB, vilket kan vara fördelaktigt för elfordon och annan stor eller avancerad elektronik. Trots sin potential har dessa batterier hittills visat sig vara mindre stabila och säkra än LiBs, samtidigt som de laddas relativt långsamt; begränsningar som hittills har förhindrat att de används i större utsträckning.
Ett forskarlag vid Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) och andra institut har nyligen utformat nya elektrolyter baserade på symmetriska organiska salter, vilket kan bidra till att öka prestandan hos LMB. Deras nydesignade elektrolyter, som presenteras i en artikel i Nature Energy, visade sig förbättra stabiliteten och laddningshastigheten hos LMB:er och förhindra bildandet av dendriter (litiumavlagringar som gör att ett batteris prestanda minskar med tiden).
”För att kunna realisera LMB krävs en elektrolyt som kombinerar icke-brännbarhet med hög elektrokemisk stabilitet”, skriver Akito Sakai, Yosuke Matsumoto och deras kollegor i sin artikel. ”Även om nuvarande elektrolytteknologier har förbättrat LMB-cyklabiliteten, är rationell elektrolyttillverkning som samtidigt kan hantera höghastighetsprestanda och säkerhet fortfarande en stor utmaning. Vi presenterar ett designkoncept för elektrolyter som möjliggör praktiska, säkra och snabbcyklande LMB:er.”
För att skapa sina elektrolyter tillsatte forskarna en jonisk plastkristall som kallas 1,1-dietylpyrrolidiniumbis(fluorosulfonyl)imid (Pyr2(2)FSI) till olika konventionella batterielektrolyter. Det resulterande symmetriska organiska saltet visade sig förändra interaktionerna mellan litiumjoner och andra laddade partiklar, vilket i slutändan gör att de kan röra sig lätt inuti ett batteri.
”Vi skapade anjon-Li+-solvationsstrukturer i miniatyr genom att införa symmetriska organiska salter i olika elektrolytlösningsmedel”, skriver Sakai, Matsumoto och deras kollegor. ”Dessa strukturer uppvisar en hög jonisk konduktivitet, låg desolveringsbarriär och gränssnittsstabilisering.”
Forskarna visade att deras elektrolyter sänker den så kallade desolveringsbarriären. Därmed blir det lättare för litiumjoner att nå batteriernas elektroder, vilket kan ha en positiv inverkan på batteriets laddningshastighet och totala livslängd.
Dessutom bidrar de nya elektrolyterna till att det bildas ett stabilt skyddsskikt, en så kallad SEI (solid-electrolyte interphase), på litium-metallanoden. Detta skyddsskikt förhindrar oönskade kemiska reaktioner och uppbyggnad av litium, vilket leder till att batterierna försämras med tiden.
Teamet testade sina elektrolyter i en serie tester, introducerade dem i LMB:er och fann att de förbättrade batteriernas stabilitet och cykelhastighet. Dessutom är elektrolyterna icke brandfarliga, robusta mot överhettning och mycket säkrare än många andra elektrolyter som introducerats tidigare, vilket kan underlätta deras framtida praktiska användning.
”Vår elektrolytdesign möjliggör stabil, snabb cykling av praktiska LMBs med hög stabilitet (LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2-cell (två gånger processad Li): 400 cykler) och hög effekttäthet (pouch-cell: 639,5 W kg-1)”, skriver forskarna. ”Dessutom överlevde Li-metallpåscellen nagelpenetration, vilket visar på dess höga säkerhet. Vår elektrolytdesign erbjuder ett genomförbart tillvägagångssätt för säkra, snabbcyklande LMBs.”
För mer information: Jinha Jang et al, Miniature Li+ solvation by symmetric molecular design for practical and safe Li-metal batteries, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01733-9
