Hybridbånd en gave til kraftige batterier:Vanadiumoxid - grafenmateriale fungerer godt til lithium-ion opbevaring

Hybridbånd af vanadiumoxid (VO2) og grafen kan fremskynde udviklingen af ​​højeffekts lithium-ion-batterier, der egner sig til elbiler og andre krævende applikationer.

Materialeforskeren Pulickel Ajayan ved Rice Universitys laboratorium fastslog, at det velundersøgte materiale er en overlegen katode til batterier, der kunne levere både høj energitæthed og betydelig effekttæthed. Forskningen vises online i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Båndene skabt hos Rice er tusindvis af gange tyndere end et ark papir, har dog et potentiale, der langt opvejer nuværende materialer for deres evne til at oplade og aflade meget hurtigt. Katoder indbygget i halvceller til test ved Rice fuldt opladet og afladet på 20 sekunder og beholdt mere end 90 procent af deres oprindelige kapacitet efter mere end 1, 000 cyklusser.

"Dette er den retning, batteriforskningen går, ikke kun for noget med høj energitæthed, men også høj effekttæthed, " sagde Ajayan. "Det er et sted mellem et batteri og en superkondensator."

Båndene har også den fordel, at de bruger relativt rigelige og billige materialer. "Dette gøres gennem en meget simpel hydrotermisk proces, og jeg tror, ​​det ville være let skalerbart til store mængder, " han sagde.

Ajayan sagde, at vanadiumoxid længe har været betragtet som et materiale med stort potentiale, og faktisk er vanadiumpentoxid blevet brugt i lithium-ion-batterier på grund af dets specielle struktur og høje kapacitet. Men oxider er langsomme til at oplade og udlede, på grund af deres lave elektriske ledningsevne. Det højledningsevne grafengitter, der bogstaveligt talt er indbagt, løser det problem fint, han sagde, ved at tjene som en hurtig kanal for elektroner og kanaler for ioner.

De atomtynde grafenplader bundet til krystallerne fylder meget lidt. I de bedste prøver lavet hos Rice, hele 84 procent af katodens vægt var den lithiumslurpende VO2, som holdt 204 milliampere timers energi per gram. Forskerne, ledet af Rice kandidatstuderende Yongji Gong og hovedforfatter Shubin Yang, sagde, at de mener, at det er blandt de bedste samlede ydeevne nogensinde set for lithium-ion batterielektroder.

"En udfordring for produktionen var at kontrollere betingelserne for co-syntese af VO2-bånd med grafen, " sagde Yang. Processen involverede suspendering af grafenoxid-nanoark med pulveriseret vanadiumpentoxid (lagdelt vanadiumoxid, med to atomer vanadium og fem ilt) i vand og opvarme det i en autoklave i timevis. Vanadiumpentoxidet blev fuldstændigt reduceret til VO2, som krystalliserede til bånd, mens grafenoxidet blev reduceret til grafen, sagde Yang. Båndene, med en web-lignende belægning af grafen, var kun omkring 10 nanometer tykke, op til 600 nanometer bred og titusvis af mikrometer i længden.

"Disse bånd var byggestenene i den tredimensionelle arkitektur, " sagde Yang. "Denne unikke struktur var gunstig for den ultrahurtige diffusion af både lithiumioner og elektroner under opladnings- og afladningsprocesser. Det var nøglen til opnåelsen af ​​fremragende elektrokemisk ydeevne."

Ved afprøvning af det nye materiale, Yang og Gong fandt ud af, at dens kapacitet til lithiumlagring forblev stabil efter 200 cyklusser, selv ved høje temperaturer (167 grader Fahrenheit), hvor andre katoder sædvanligvis henfalder, selv ved lave opladnings-afladningshastigheder.

"Vi mener, at dette er et reelt fremskridt i udviklingen af ​​katodematerialer til højeffekt lithium-ion-batterier, "Ajayan sagde, at antyde, at båndene kan spredes i et opløsningsmiddel, kan gøre dem egnede som en komponent i de overmalbare batterier, der er udviklet i hans laboratorium.