Nyt granatæble-lignende materiale øger ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier

I et interessant tilfælde af biomimicry har forskere ved Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory udviklet et nyt elektrodemateriale til lithium-ion-batterier ved hjælp af siliciumnanopartikler grupperet som frø i en hård kulstofskal – svarende til en Granatæble.

Den negative elektrode (kaldet anode) er særlig vigtig i lithium-ion-batterier, fordi den gemmer ladning, når batteriet oplades. Mængden af ​​ladning, der kan opbevares pr. gram materiale, varierer meget afhængigt af anodematerialet. Typiske lithium-ion-batterier bruger grafitanoder; Forskere har dog forsøgt at erstatte grafit med silicium, fordi det har en af ​​de bedste energitætheder, der findes – mere end ti gange højere end grafit.

Men fordi anoder svulmer og krymper under typiske opladnings-afladningscyklusser, kan et sprødt materiale som silicium ikke kun brydes meget hurtigt fra hinanden under brug, men det kan også reagere med batteriets elektrolyt og danne et klæbrigt lag på anoden, hvilket yderligere nedbryder den. Ydeevne.

Stanford lektor Yi Cui og hans team har arbejdet på at løse dette problem ved at bruge ekstremt fine/små siliciumnanotråde eller nanopartikler og indkapsle dem i kulstofskaller, der giver dem plads til at svulme eller krympe under opladnings-afladningscyklussen. I deres seneste arbejde har de belagt de fyldte skaller med et andet, tykkere lag kulstof. Dette fungerer som skallen af ​​et granatæble og holder de enkelte skræller sammen og giver mulighed for let flow.

Fotokredit: Nian Liu et al. om Natur Nanoteknologi

Klyngerne, som er for små til at se med det blotte øje (se nedenfor for elektronmikroskopbilleder), danner et fint sort pulver, som derefter påføres et stykke folie for at danne anoden. Ved omhyggeligt at justere klyngestørrelsen kan ladningstætheden optimeres og samtidig minimere masseforbruget.

Fotokredit: Nian Liu et al. om Natur Nanoteknologi

Enhver, der har et gammelt laptop-batteri, ved, at et batteris ladekapacitet falder med brug. For eksempel mister kommercielt tilgængelige Li-ion-batterier omkring 20 % af deres kapacitet efter 1000 sådanne cyklusser under typisk brug. Til sammenligning viser det nye batteri kun et kapacitetstab på 3 % efter 1000 opladnings-afladningscyklusser.

Ud over forbedret batterilevetid lover den nye teknologi også lavere omkostninger af to grunde: (a) Mikroemulsionsprocessen til at skabe kulstofbelægningen på siliciumpartiklerne er en kommerciel proces, der typisk anvendes i olie- og malingsindustrien, og (b) Selvom rågrafit og Mens råsilicium koster omtrent det samme i dag (ca. $1.400/ton), er silicium et mere almindeligt tilgængeligt materiale og giver lavere materialeomkostninger i det lange løb.

Cui har allerede sat sig som mål at reducere omkostningerne og sigter mod yderligere at forenkle produktionsprocessen. Derudover ønsker hans team at lede efter mere omkostningseffektive måder at producere siliciumnanopartikler på. En særlig tilgang, som forskerne allerede har rapporteret om i andre publikationer, er omdannelsen af ​​risskaller til siliciumnanopartikler (risskaller er landbrugsaffald, der produceres i store mængder og består af 20 % siliciumdioxid).

“Selvom der stadig er nogle udfordringer, bringer dette design os tættere på at bruge siliciumanoder i mindre, lettere og kraftigere batterier,” siger Cui. “For mig er det meget spændende at se, hvor store fremskridt vi har gjort i de sidste syv-otte år, og hvordan vi har løst problemerne lidt efter lidt,” tilføjer han og deler sit håb – en følelse af, at industrien for vedvarende energi ikke er i tvivl, har til fælles med ham.

Øverste billedkilde: Greg Stewart / SLAC