Forskere udviklede billigt, stærkt lithium-ion batteri

Forskere ved USC har udviklet et nyt lithium-ion batteri design, der bruger porøse silicium nanopartikler i stedet for de traditionelle grafit anoder for at give overlegen ydeevne.

De nye batterier - som kan bruges i alt fra mobiltelefoner til hybridbiler - holder tre gange så meget energi som sammenlignelige grafitbaserede designs og genoplades inden for 10 minutter. Designet, i øjeblikket under et foreløbigt patent, kunne være kommercielt tilgængelig inden for to til tre år.

"Det er en spændende forskning. Det åbner døren for designet af næste generation af lithium-ion-batterier, " sagde Chongwu Zhou, professor ved USC Viterbi School of Engineering, der ledede holdet, der udviklede batteriet. Zhou arbejdede med USC kandidatstuderende Mingyuan Ge, Jipeng Rong, Xin Fang og Anyi Zhang, samt Yunhao Lu fra Zhejiang University i Kina. Deres forskning blev offentliggjort i Nano forskning i januar.

Forskere har længe forsøgt at bruge silicium, som er billig og har en høj potentiel kapacitet, i batterianoder. (Anoder er der, hvor der strømmer strøm ind i et batteri, mens katoder er der, hvor strømmen løber ud.) Problemet har været, at tidligere siliciumanodedesign, som dybest set var små plader af materialet, brød sammen fra gentagne hævelser og krympning under opladning/afladningscyklusser og blev hurtigt ubrugelig.

Sidste år, Zhou's team eksperimenterede med porøse siliciumnanotråde, der er mindre end 100 nanometer i diameter og kun et par mikrometer lange. De bittesmå porer på nanotrådene tillod silicium at udvide sig og trække sig sammen uden at gå i stykker, samtidig med at overfladearealet blev forøget – hvilket igen tillader lithium-ioner at diffundere ind og ud af batteriet hurtigere, forbedre ydeevnen.

Selvom batterierne fungerede godt, nanotrådene er svære at fremstille i massevis. For at løse problemet, Zhou's team tog kommercielt tilgængelige nanopartikler - bittesmå siliciumkugler - og ætset dem med de samme porer som nanotrådene. Partiklerne fungerer på samme måde og kan fremstilles i enhver ønsket mængde.

Selvom siliciumnanopartikelbatterierne i øjeblikket holder til kun 200 genopladningscyklusser (sammenlignet med et gennemsnit på 500 for grafitbaserede designs), holdets ældre silicium nanotråd-baserede design holdt i op til 2, 000 cyklusser, som blev rapporteret i Nano Lett i april sidste år. Yderligere udvikling af nanopartikeldesignet skulle øge batteriets levetid, sagde Zhou.

"Den nemme metode, vi bruger, kan skabe reel indflydelse på batteriapplikationer i den nærmeste fremtid, " sagde Zhou.

Fremtidig forskning fra gruppen vil fokusere på at finde et nyt katodemateriale med en høj kapacitet, der vil parre godt med de porøse siliciumnanotråde og/eller porøse siliciumnanopartikler for at skabe et fuldstændigt redesignet batteri.