För att stödja den pågående övergången till elfordon och minska växthusgasutsläppen har ingenjörer försökt utveckla batterier som kan lagra mer energi, samtidigt som de fungerar säkert och håller länge. Vanligtvis innebär dock batterier med hög energi längre laddningstider, vilket inte är idealiskt för de flesta praktiska tillämpningar.
Forskare vid University of Maryland har nyligen introducerat nya elektrolyter med ett elektrokemiskt stabilitetsfönster som expanderar dynamiskt medan batteriet laddas. Dessa elektrolyter, som presenterades i en artikel publicerad i Nature Energy, visade sig lovande för utvecklingen av snabbladdande högenergibatterier med olika sammansättningar.
”Vi ville ta itu med en långvarig utmaning inom batteritekniken: avvägningen mellan snabb laddning och hög energitäthet”, säger Chang-Xin Zhao, försteförfattare till artikeln, till Tech Xplore.
”Under snabb laddning kan elektrodpotentialen överskrida elektrolytens elektrokemiska stabilitetsfönster, vilket leder till oönskade sidoreaktioner. Vi undrade – vad skulle hända om elektrolyten kunde reagera dynamiskt på laddningsprocessen och utvidga sitt stabila potentialfönster i realtid? Det skulle kunna vara ett lovande sätt att övervinna denna begränsning.”
De nyutvecklade elektrolyterna är inspirerade av den så kallade ”salting-out”-effekten, som har sin grund i fasjämviktsteorin. Det är en fasseparation som uppstår när salt tillsätts till en lösning och gör att vissa komponenter blir mindre lösliga (dvs. separeras från lösningen).
”Intressant nog genererar laddningsprocessen i ett batteri i sig saltkoncentrationsgradienter i elektrolyten, vilket ger de nödvändiga förutsättningarna för att denna effekt ska uppstå”, förklarar Zhao. ”Utifrån denna idé har vi utvecklat ett elektrolytsystem som utnyttjar detta koncentrationsdrivna fasbeteende för att adaptivt utvidga sitt stabilitetsfönster under drift.”
De självadaptiva elektrolyterna som forskarna har utvecklat har två utmärkande egenskaper. Den första är deras ternära sammansättning och tillhörande ”utsaltningsbeteende”.
Varje elektrolyt består av två lösningsmedel och ett salt, som alla är noggrant utvalda för att framgångsrikt åstadkomma utsaltningseffekten. Som ett resultat av deras sammansättning kommer förändringar i saltkoncentrationen att leda till en fasseparation, vilket i sin tur utvidgar batteriets elektrokemiska stabilitetsfönster under snabb laddning.
Det andra utmärkande draget hos våra elektrolyter är att de är formulerade vid molnpunkt. Det innebär att de är konstruerade för att ligga exakt vid molnpunkt – den kritiska sammansättningen precis innan fasseparationen börjar.
Denna positionering gör systemet mycket känsligt för koncentrationsgradienter under laddning, vilket gör att det kan reagera adaptivt genom att genomgå lokal fasseparation. Detta möjliggör i sin tur en realtidsutvidgning av elektrolytens elektrokemiska stabilitetsfönster när batteriet laddas.
Det senaste arbetet öppnar nya spännande möjligheter för utveckling av batterier som kan lagra mer energi och samtidigt laddas snabbare. Forskarna har redan testat de elektrolyter de skapat i både vattenbaserade zinkmetallbatterier och icke-vattenbaserade litiummetallbatterier, med anmärkningsvärd coulombisk verkningsgrad och förbättrad stabilitet.
”Traditionellt har elektrolytutvecklingen fokuserat på modifieringar på molekylnivå – att finjustera strukturen hos enskilda lösningsmedel eller salter”, säger Zhao.
”Vårt arbete tar däremot ett mer makroskopiskt grepp genom att utnyttja principerna för fasjämvikt. Genom att ta hänsyn till hur det totala elektrolytsystemet beter sig under dynamiska förhållanden, istället för att enbart fokusera på molekylerna i sig, visar vi att det är möjligt att konstruera elektrolyter som anpassar sig under drift.”
Forskarna hoppas att deras artikel kommer att bana väg för en ny forskningsinriktning som syftar till att övervinna vanliga utmaningar i samband med utvecklingen av batteriteknik genom att utnyttja koncept som har sina rötter i fasjämviktsteorin.
I framtiden kan den metod som dessa forskare använder komma att användas för att konstruera andra lovande självadaptiva elektrolyter. Under tiden planerar de att använda sin föreslagna strategi för att identifiera andra lovande elektrolyter, samtidigt som de integrerar och testar dem i olika typer av batterier.
”Vårt framtida arbete kommer att fokusera på operando-karaktärisering av gränsytprocesser i självadaptiva elektrolyter, samt på att utvidga denna strategi till gel-liknande system”, tillägger Wang.
”Att skala upp formuleringen för validering av påsceller under praktiska laddningsprotokoll är också ett viktigt nästa steg.”
Mer information: Chang-Xin Zhao et al, Self-adaptive electrolytes for fast-charging batteries, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01801-0.
