Ett team av koreanska forskare har utvecklat en separatorteknik som dramatiskt minskar explosionsrisken för litiumbatterier samtidigt som deras livslängd fördubblas. Liksom en ultratunn skottsäker väst som skyddar båda sidor stabiliserar detta molekylärt konstruerade membran både anoden och katoden i nästa generations litiummetallbatterier.
Den gemensamma forskningen, ledd av professor Soojin Park och dr Dong-Yeob Han från kemiska institutionen vid POSTECH, tillsammans med professor Tae Kyung Lee från Gyeongsang National University och dr Gyujin Song från Korea Institute of Energy Research (KIER), publicerades nyligen i Energy & Environmental Science.
Konventionella litiumjonbatterier, som driver dagens elfordon och energilagringssystem, närmar sig sina teoretiska energigränser. Däremot kan litiummetallbatterier lagra cirka 1,5 gånger mer energi inom samma volym, vilket potentiellt kan förlänga en elfordons räckvidd från 400 km till cirka 700 km per laddning. Deras praktiska användning har dock hindrats av allvarliga säkerhetsproblem.
Under laddning tenderar litium att avsättas ojämnt på anodytan och bilda vassa, trädliknande strukturer som kallas dendriter. Dessa nålliknande utväxter kan tränga igenom separatorn mellan elektroderna och orsaka interna kortslutningar, bränder och till och med explosioner.
För att lösa detta problem konstruerade forskarteamet separatorn på molekylnivå. De kemiskt ympade fluor (-F) och syre (-O) funktionella grupper på ytan av en konventionell polyolefinseparator. Dessa polära grupper reglerar gränsreaktionerna mellan elektroderna och elektrolyten, vilket främjar ett stabilt och enhetligt beteende på båda sidor.
Som ett resultat bildas ett jämnt lager av litiumfluorid (LiF) på anoden, vilket hämmar dendrittillväxten, samtidigt som bildandet av skadlig fluorvätesyra (HF) förhindras på katodsidan, vilket bevarar dess strukturella integritet. Detta enda funktionella membran fungerar som ett dubbelt skyddande lager och stabiliserar samtidigt båda elektroderna i batteriet.
Under realistiska driftsförhållanden, hög temperatur (55 °C), lågt elektrolytinnehåll och en tunn litiumanod, behöll de nyutvecklade batterierna 80 % av sin ursprungliga kapacitet efter 208 laddnings- och urladdningscykler. I påsformade fullceller uppnådde tekniken imponerande energitätheter på 385,1 Wh kg⁻¹ och 1135,6 Wh L⁻¹, vilket är ungefär 1,5–1,7 gånger högre än dagens kommersiella litiumjonbatterier (250 Wh kg⁻¹, 650 Wh L⁻¹).
Professor Park från POSTECH konstaterade ”Denna studie visar på en innovativ metod som stabiliserar båda elektroderna i litiummetallbatterier genom design på molekylnivå. Den förbättrar livslängden, säkerheten och energitätheten samtidigt som den är kompatibel med befintliga tillverkningsprocesser för litiumjonbatterier.”
Professor Lee från Gyeongsang National University tillade: ”Med hjälp av täthetsfunktionalteori (DFT) och molekylära dynamiksimuleringar (MD) identifierade vi hur funktionella grupper i separatorn påverkar elektroniska strukturer och gränsskiktreaktioner på atomnivå.”
Dr Song från KIER kommenterade: ”Denna teknik erbjuder hög hållbarhet och säkerhet som är lämplig för storskaliga energilagringssystem (ESS) och representerar ett stort steg mot kommersialiseringen av miljövänliga batterier med hög energikapacitet.”
Mer information: Dong-Yeob Han et al, Molekylärt konstruerad membrandriven interfasstabilisering av elektroder för Li||NCM811-celler under praktiska driftsförhållanden, Energy & Environmental Science (2025). DOI: 10.1039/d5ee04968g