En ny type kompositmateriale med peapod-strukturer kan hjælpe med at forbedre ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier

Lithium-ion-batterier bruges til at drive en lang række elektroniske enheder, herunder computere, kameraer, digitale lydafspillere og lommeregnere. En enorm indsats er blevet afsat til udviklingen af ​​lithium-ion-batterier, især til at forbedre effektiviteten og integriteten af ​​batterielektroderne. Dette skyldes, at under afladnings- og opladningsprocesserne, lithium-ioner inkorporeres gentagne gange i og ekstraheres fra elektroderne ved legeringsdannelse eller kemisk omdannelse. Disse tilbagevendende hændelser er kendt for at forårsage den progressive nedbrydning af elektroderne, irreversibelt ødelæggende batteriydelse.

Yu Wang ved A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences og kolleger har nu demonstreret en elegant strategi til at reducere nedbrydningsproblemet og øge kapacitetsbevarelsen af ​​lithium-ion-batterier over mange opladnings- og afladningscyklusser. Strategien involverer brugen af ​​et kompositmateriale med en peapod-struktur bestående af koboltoxid (Co ₃ O ₄ ) nanopartikler indlejret i kulfibre (se billede).

Cobaltoxid er et lovende materiale til anoder i lithium-ion-batterier, fordi dets kapacitet til at holde ioner er højere end konventionelle elektrodematerialer. såsom tin. Ud over, Co ₃ O ₄ kan nemt konverteres til LiCoO ₂ , som er det materiale, der i øjeblikket anvendes i kommercielle katoder. Forskerne lavede peapod-strukturerne ved at opvarme cobaltcarbonathydroxid-nanobælter belagt med lag af polymeriseret glucose i en inert atmosfære ved 700 ºC og derefter i luft ved 250 ºC. Elektroder bygget ved hjælp af peapod-kompositten havde forbedret lithiumlagring og kapacitetsopbevaring – og leverede 91 % af den samlede mulige kapacitet efter 50 opladnings-afladningscyklusser.

"Co ₃ O ₄ nanopartikler fungerer som aktive materialer til at lagre lithium-ioner, og de hule kulfibre beskytter og forhindrer Co3O4-nanopartiklerne i at aggregere og kollapse, " siger Wang. Kulfibrene spiller også rollen som at lede elektroner fra nanopartiklerne.

Ifølge Wang, bortset fra den lovende anvendelse i lithium-ion-batterier, fremstillingen af ​​peapod-kompositten er en præstation i sig selv, da det er første gang, at sådanne isolerede magnetiske nanopartikler indlejret i hule fibre er blevet produceret. Scanningselektronmikroskopi afslørede, at peapod-kompositten udviser en ensartet morfologi, med podlængder på op til flere mikrometer og poddiametre på helt ned til 50 nanometer. Forskerne mener, at deres metode kan udvides til at generere indkapslede nanopartikler ved hjælp af en bred vifte af materialer med anvendelser ud over lithium-ion-batterier, for eksempel, i genteknologi, katalyse, gassensing og fremstilling af kondensatorer og magneter.