Batterier fremstillet af verdens tyndeste materiale kunne drive morgendagens elbiler

Ingeniørforskere ved Rensselaer Polytechnic Institute lavede et ark papir af verdens tyndeste materiale, grafen, og zappede derefter papiret med en laser- eller kamerablitz for at plette det med utallige revner, porer, og andre ufuldkommenheder. Resultatet er et grafenanodemateriale, der kan oplades eller aflades 10 gange hurtigere end konventionelle grafitanoder, der bruges i nutidens lithium (Li) -ionbatterier.

Genopladelige Li-ion batterier er industristandarden for mobiltelefoner, bærbare og tabletcomputere, elbiler, og en række andre enheder. Selvom Li-ion-batterier har en høj energitæthed og kan lagre store mængder energi, de lider af en lav effekttæthed og er ikke i stand til hurtigt at acceptere eller aflade energi. Denne lave strømtæthed er derfor, det tager cirka en time at oplade din mobiltelefon eller bærbare batteri, og hvorfor elektriske bilmotorer ikke kan stole på batterier alene og kræve en superkondensator til funktioner med høj effekt, såsom acceleration og bremsning.

Rensselaers forskerhold, ledet af nanomaterialer ekspert Nikhil Koratkar, søgte at løse dette problem og oprette et nyt batteri, der kunne rumme store mængder energi, men også hurtigt kunne acceptere og frigive denne energi. En sådan innovation kunne lette behovet for den komplekse parring af Li-ion-batterier og superkapacitorer i elbiler, og føre til enklere, bedre bilmotorer udelukkende baseret på højenergi, højeffekt Li-ion batterier. Koratkar og hans team er overbeviste om deres nye batteri, skabt af forsætligt tekniske defekter i grafen, er en kritisk trædesten på vejen til at realisere dette store mål. Sådanne batterier kan også markant forkorte den tid, det tager at oplade bærbare elektroniske enheder fra telefoner og bærbare computere til medicinsk udstyr, der bruges af paramedicinere og førstehjælpere.

“Li-ion batteriteknologi er storslået, men virkelig hæmmet af dens begrænsede effekttæthed og dens manglende evne til hurtigt at acceptere eller aflade store mængder energi. Ved at bruge vores defektfremstillede grafenpapir i batteriarkitekturen, Jeg tror, ​​vi kan hjælpe med at overvinde denne begrænsning, ”Sagde Koratkar, John A. Clark og Edward T. Crossan professor i teknik ved Rensselaer. "Vi mener, at denne opdagelse er moden til kommercialisering, og kan få en betydelig indvirkning på udviklingen af ​​nye batterier og elektriske systemer til elektriske biler og bærbare elektronikapplikationer. ”Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i denne uge af tidsskriftet ACS Nano i papiret "Fototermisk reduceret grafen som anoder med høj effekt til lithiumionbatterier."

Koratkar og hans team begyndte at undersøge grafen som en mulig erstatning for den grafit, der bruges som anodemateriale i dagens Li-ion-batterier. I det væsentlige et enkelt lag af den grafit, der almindeligvis findes i vores blyanter eller det kul, vi brænder på vores grill, grafen er et atom-tykt lag af carbonatomer arrangeret som et nanoskala kyllingetrådshegn. I tidligere undersøgelser, Li-ion-batterier med grafitanoder udviste god energitæthed, men lav effekttæthed, hvilket betyder, at de ikke kunne oplade eller aflade hurtigt. Denne langsomme opladning og afladning skyldtes, at litiumioner kun fysisk kunne komme ind eller ud af batteriets grafitanode fra kanterne, og langsomt arbejde sig på tværs af længden af ​​de enkelte lag af grafen.

Koratkars løsning var at bruge en kendt teknik til at lave et stort ark grafenoxidpapir. Dette papir er omtrent tykt på et stykke almindeligt printerpapir, og kan laves næsten enhver størrelse eller form. Forskergruppen udsatte derefter noget af grafenoxidpapiret for en laser, og andre prøver af papiret blev udsat for en simpel blitz fra et digitalkamera. I begge tilfælde, varmen fra laseren eller fotoflash forårsagede bogstaveligt talt mini-eksplosioner i hele papiret, da oxygenatomerne i grafenoxid voldsomt blev fordrevet fra strukturen. Eftervirkningen af ​​denne iltudvandring var ark af grafen, der var fyldt med utallige revner, porer, hulrum, og andre skavanker. Trykket skabt af det undslipende ilt fik også grafenpapiret til at ekspandere fem gange i tykkelse, skaber store hulrum mellem de enkelte grafenark.

Forskerne fandt hurtigt ud af, at dette ødelagte grafenpapir fungerede bemærkelsesværdigt godt som en anode til et Li-ion-batteri. Mens lithiumionerne langsomt krydser hele længden af ​​grafenark for at oplade eller aflade, ionerne brugte nu revnerne og porerne som genveje til hurtigt at bevæge sig ind i eller ud af grafen - hvilket øgede batteriets samlede effekttæthed kraftigt. Koratkars team demonstrerede, hvordan deres eksperimentelle anodemateriale kunne oplade eller aflade 10 gange hurtigere end konventionelle anoder i Li-ion-batterier uden at medføre et betydeligt tab i dets energitæthed. På trods af de utallige mikroskala porer, revner, og hulrum, der er allestedsnærværende i hele strukturen, grafenpapiranoden er bemærkelsesværdig robust, og fortsatte med at præstere med succes, selv efter mere end 1, 000 opladnings-/afladningscyklusser. Den høje elektriske ledningsevne af grafenarkene muliggjorde også effektiv elektrontransport i anoden, hvilket er en anden nødvendig egenskab til applikationer med høj effekt.

Koratkar sagde, at processen med at lave disse nye grafenpapiranoder til Li-ion-batterier let kan skaleres op til industriens behov. Grafenpapiret kan laves i stort set enhver størrelse og form, og den foto-termiske eksponering med laser- eller kamerablink er en let og billig proces at replikere. Forskerne har ansøgt om patentbeskyttelse for deres opdagelse. Det næste trin i dette forskningsprojekt er at parre grafenanodematerialet med et katodemateriale med høj effekt for at konstruere et fuldt batteri.