Den nye dobbeltvæggede nanorøranode af silicium er fremstillet ved en smart firetrins proces:Polymer nanofibre (grøn) er fremstillet, derefter opvarmet (med, og derefter uden, luft), indtil de reduceres til kulstof (sort). Silicium (lyseblå) er belagt på ydersiden af kulfiberne. Endelig, opvarmning i luft driver kulstoffet af og skaber røret samt klemoxidlaget (rødt). Kredit:Hui Wu, Stanford, og Yi Cui
(Phys.org) - I mere end et årti, forskere har forsøgt at forbedre litiumbaserede batterier ved at udskifte grafitten i en terminal med silicium, som kan gemme 10 gange mere opladning. Men efter blot et par opladnings-/afladningscyklusser, siliciumstrukturen ville revne og smuldre, gør batteriet ubrugeligt.
Nu har et team ledet af materialeforsker Yi Cui fra Stanford og SLAC fundet en løsning:en smart designet dobbeltvægget nanostruktur, der varer mere end 6, 000 cykler, langt mere end nødvendigt for elbiler eller mobilelektronik.
”Dette er en meget spændende udvikling mod vores mål om at skabe mindre, lettere og længere levetid batterier end der er tilgængelige i dag, ”Sagde Cui. Resultaterne blev offentliggjort den 25. marts i Naturnanoteknologi .
Lithium-ion-batterier bruges i vid udstrækning til at drive enheder fra elektriske køretøjer til bærbar elektronik, fordi de kan gemme en relativt stor mængde energi i en relativt let pakke. Batteriet fungerer ved at kontrollere strømmen af lithiumioner gennem en væskeelektrolyt mellem dets to terminaler, kaldet anoden og katoden.
Løftet - og faren - for at bruge silicium som anode i disse batterier kommer fra den måde, hvorpå litiumionerne binder sig til anoden under opladningscyklussen. Op til fire litiumioner binder til hvert af atomerne i en siliciumanode - sammenlignet med kun en for hver seks kulstofatomer i dagens grafitanode - hvilket gør det muligt at lagre meget mere ladning.
Imidlertid, det svulmer også anoden til op til fire gange dets oprindelige volumen. Hvad mere er, noget af elektrolytten reagerer med silicium, belægge det og forhindre yderligere opladning. Når litium flyder ud af anoden under udladning, anoden krymper tilbage til sin oprindelige størrelse, og belægningen revner, udsætter frisk silicium for elektrolytten.
Inden for få cykler, belastningen af ekspansion og sammentrækning, kombineret med elektrolytangrebet, ødelægger anoden gennem en proces kaldet "nedbrydning".
I løbet af de sidste fem år har Kuis gruppe har gradvist forbedret holdbarheden af siliciumanoder ved at gøre dem ud af nanotråde og derefter hule siliciumnanopartikler. Hans seneste design består af et dobbeltvægget silicium-nanorør belagt med et tyndt lag siliciumoxid, et meget hårdt keramisk materiale.
Dette stærke ydre lag forhindrer nanorørets ydervæg i at ekspandere, så den forbliver intakt. I stedet, silicium svulmer ufarligt ind i det hule interiør, som også er for lille til at elektrolytmolekyler kan komme ind. Efter den første opladningscyklus, den fungerer i mere end 6, 000 cykler med 85 procent kapacitet tilbage.
Cui sagde, at fremtidig forskning har til formål at forenkle processen til fremstilling af nanorør af silicium med dobbelt væg. Andre i hans gruppe udvikler nye højtydende katoder, der kan kombineres med den nye anode for at danne et batteri med fem gange ydelsen af nutidens lithium-ion-teknologi.
I 2008, Cui grundlagde et firma, Amprius, som licenserede rettigheder til Stanfords patenter for sin silicium nanotråd anode teknologi. Dets kortsigtede mål er at producere et batteri med dobbelt energitæthed af nutidens lithium-ion-batterier.
Sidste artikelHvordan ionbombardement omformer metaloverflader
Næste artikelForskere genererer elektricitet fra vira