Brug af kulstof nanorør i lithium-batterier kan dramatisk forbedre energikapaciteten

Batterier kan få et løft i strømkapaciteten som et resultat af et nyt fund fra forskere ved MIT. De fandt ud af, at brugen af ​​kulstof-nanorør til en af ​​batteriets elektroder gav en betydelig stigning - op til tidoblet - i mængden af ​​strøm, det kunne levere fra en given vægt af materiale, sammenlignet med et konventionelt lithium-ion batteri. Sådanne elektroder kan finde anvendelse i små bærbare enheder, og med yderligere forskning kan det også føre til forbedrede batterier til større, mere strømkrævende applikationer.

For at producere det kraftige nye elektrodemateriale, holdet brugte en lag-for-lag fremstillingsmetode, hvor et grundmateriale skiftevis dyppes i opløsninger indeholdende kulstofnanorør, der er blevet behandlet med simple organiske forbindelser, der giver dem enten en positiv eller negativ nettoladning. Når disse lag veksles på en overflade, de binder tæt sammen på grund af de komplementære ladninger, lave en stabil og holdbar film.

Fundene, af et team ledet af lektor i maskinteknik og materialevidenskab og teknik Yang Shao-Horn, i samarbejde med Bayer Chair Professor of Chemical Engineering Paula Hammond, er rapporteret i et papir offentliggjort 20. juni i tidsskriftet Natur nanoteknologi . Hovedforfatterne er kemiingeniørstuderende Seung Woo Lee PhD '10 og postdoc-forsker Naoaki Yabuuchi.

batterier, såsom lithium-ion-batterier, der er meget udbredt i bærbar elektronik, består af tre grundlæggende komponenter:to elektroder (kaldet anode, eller negativ elektrode, og katoden, eller positiv elektrode) adskilt af en elektrolyt, et elektrisk ledende materiale, hvorigennem ladede partikler, eller ioner, kan bevæge sig let. Når disse batterier er i brug, positivt ladede lithiumioner bevæger sig over elektrolytten til katoden, frembringelse af en elektrisk strøm; når de genoplades, en ekstern strøm får disse ioner til at bevæge sig den modsatte vej, så de bliver indlejret i mellemrummene i anodens porøse materiale.

I den nye batterielektrode, kulstofnanorør - en form for rent kulstof, hvor plader af kulstofatomer er rullet op til små rør - "samler sig selv" til en tæt bundet struktur, der er porøs på nanometerskalaen (milliarddele af en meter). Ud over, kulstofnanorørene har mange iltgrupper på deres overflader, som kan lagre et stort antal lithiumioner; dette gør det muligt for kulstofnanorør for første gang at tjene som den positive elektrode i lithiumbatterier, i stedet for kun den negative elektrode.

Denne "elektrostatiske selvsamling" proces er vigtig, Hammond forklarer, fordi normalt kulstof nanorør på en overflade har tendens til at klumpe sig sammen i bundter, efterlader færre udsatte overflader til at gennemgå reaktioner. Ved at inkorporere organiske molekyler på nanorørene, de samles på en måde, der "har en høj grad af porøsitet, mens de har et stort antal nanorør til stede, " hun siger.

Lithium-batterier med det nye materiale demonstrerer nogle af fordelene ved begge kondensatorer, som kan producere meget høje udgangseffekter i korte stød, og lithium batterier, som kan levere lavere effekt støt i lange perioder, siger Lee. Energioutputtet for en given vægt af dette nye elektrodemateriale blev vist at være fem gange større end for konventionelle kondensatorer, og den samlede strømforsyningshastighed var 10 gange højere end for lithium-ion-batterier, siger holdet. Denne ydeevne kan tilskrives god ledning af ioner og elektroner i elektroden, og effektiv lithiumlagring på overfladen af ​​nanorørene.

Ud over deres høje effekt, kulstofnanorørelektroderne viste meget god stabilitet over tid. Efter 1, 000 cyklusser med opladning og afladning af et testbatteri, der var ingen sporbar ændring i materialets ydeevne.

Elektroderne, som holdet producerede, havde tykkelser op til et par mikrometer, og forbedringerne i energiforsyningen blev kun set ved høje effektniveauer. I det fremtidige arbejde, holdet sigter mod at producere tykkere elektroder og udvide den forbedrede ydeevne til også at udgange med lav effekt, de siger. I sin nuværende form, materialet kan have applikationer til små, bærbare elektroniske enheder, siger Shao-Horn, men hvis den rapporterede høje effektkapacitet blev demonstreret i en meget tykkere form - med tykkelser på hundreder af mikron i stedet for blot nogle få - kunne den i sidste ende være egnet til andre applikationer såsom hybridbiler.

Mens elektrodematerialet blev fremstillet ved skiftevis at dyppe et substrat i to forskellige løsninger - en relativt tidskrævende proces - foreslår Hammond, at processen kunne modificeres ved i stedet at sprøjte de alternative lag på et bevægeligt materialebånd, en teknik, der nu udvikles i hendes laboratorium. Dette kan i sidste ende åbne muligheden for en kontinuerlig fremstillingsproces, der kan skaleres op til store mængder til kommerciel produktion, og kan også bruges til at producere tykkere elektroder med en større effektkapacitet. "Der er ikke en reel grænse" for den potentielle tykkelse, siger Hammond. "Den eneste grænse er den tid, det tager at lave lagene, " og sprøjteteknikken kan være op til 100 gange hurtigere end dypning, hun siger.

Lee siger, at mens kulstof nanorør er blevet produceret i begrænsede mængder indtil videre, en række virksomheder forbereder sig i øjeblikket på masseproduktion af materialet, hvilket kunne være med til at gøre det til et levedygtigt materiale til storskala batteriproduktion.