Tin nanokrystaller til fremtidens batteri

(Phys.org) — Mere kraftfulde batterier kan hjælpe elbiler med at opnå en betydeligt større rækkevidde og dermed et gennembrud på markedet. Et nyt nanomateriale til lithium-ion-batterier udviklet i laboratorier hos kemikere ved ETH Zürich og Empa kunne komme i spil her.

De leverer strøm til elbiler, el-cykler, Smartphones og bærbare computere:i dag, genopladelige lithium-ion-batterier er det foretrukne lagringsmedie, når det kommer til at levere en stor mængde energi på et lille rum og let. Over hele verden, forskere forsker i øjeblikket i en ny generation af sådanne batterier med en forbedret ydeevne. Forskere ledet af Maksym Kovalenko fra Laboratory of Inorganic Chemistry ved ETH Zürich og Empa har nu udviklet et nanomateriale, som gør det muligt at lagre betydeligt mere strøm i lithium-ion-batterier.

Nanomaterialet er sammensat af bittesmå tinkrystaller, som skal placeres ved minuspolen på batterierne (anode). Når batterierne oplades, lithium-ioner absorberes ved denne elektrode; under afladning, de frigives igen (se boks). "Jo flere lithium-ioner elektroderne kan absorbere og frigive – jo bedre kan de ånde, som det var – jo mere energi kan der lagres i et batteri, " forklarer Kovalenko.

Ensartede krystaller

Grundstoffet tin er ideelt til dette:hvert tinatom kan absorbere mindst fire lithiumioner. Imidlertid, udfordringen er at håndtere volumenændringen af ​​tinelektroder:Tinkrystal bliver op til tre gange større, hvis det absorberer en masse lithiumioner og krymper igen, når det frigiver dem tilbage. Forskerne greb således til nanoteknologi:de producerede de mindste tinnanokrystaller og indlejrede et stort antal af dem i en porøs, ledende permeabel kulstofmatrix. Meget ligesom hvordan en svamp kan suge vand op og frigive det igen, en elektrode konstrueret på denne måde kan absorbere lithiumioner under opladning og frigive dem ved afladning. Hvis elektroden var lavet af en kompakt tinblok, dette ville praktisk talt være umuligt.

Under udviklingen af ​​nanomaterialet, spørgsmålet om den ideelle størrelse for nanokrystallerne opstod, som også rummer udfordringen med at producere ensartede krystaller. "Tricket her var at adskille de to grundlæggende trin i dannelsen af ​​krystallerne - dannelsen af ​​så lille som en krystalkerne som muligt på den ene side og dens efterfølgende vækst på den anden side, " forklarer Kovalenko. Ved at påvirke vækstfasens tid og temperatur, forskerne var i stand til at kontrollere størrelsen af ​​krystallerne. "Vi er de første til at producere så små tinkrystaller med sådan præcision, " siger videnskabsmanden.

Større cyklus stabilitet

Brug af ensartede tin nanokrystaller, kulstof og bindemidler, forskerne producerede forskellige testelektroder til batterier. "Dette gør det muligt at lagre dobbelt så meget strøm sammenlignet med konventionelle elektroder, " siger Kovalenko. Størrelsen af ​​nanokrystallerne påvirkede ikke lagerkapaciteten under den indledende op- og afladningscyklus. Efter et par opladnings- og afladningscyklusser, imidlertid, forskelle forårsaget af krystalstørrelsen blev tydelige:batterier med ti nanometer krystaller i elektroderne var i stand til at lagre betydeligt mere energi end dem med dobbelt så stor diameter. Forskerne antager, at de mindre krystaller klarer sig bedre, fordi de kan absorbere og frigive lithiumioner mere effektivt. "Ti nanometer tinkrystaller ser derfor ud til at være bare billetten til lithium-ion-batterier, " siger Kovalenko.

Da forskerne nu kender den ideelle størrelse for tinnanokrystallerne, de vil gerne rette opmærksomheden mod de resterende udfordringer med at producere optimale tinelektroder i yderligere forskningsprojekter. Disse omfatter valget af den bedst mulige kulstofmatrix og bindemiddel til elektroderne, og elektrodernes ideelle mikroskopiske struktur. I øvrigt, Der skal også vælges en optimal og stabil elektrolytvæske, hvori lithium-ionerne kan bevæge sig frem og tilbage mellem de to poler i batteriet. Ultimativt, produktionsomkostningerne er også et problem, som forskerne søger at reducere ved at teste, hvilke omkostningseffektive basismaterialer der egner sig til elektrodeproduktion. Målet er at forberede batterier med øget energilagringskapacitet og levetid til markedet, herunder i samarbejde med en schweizisk industripartner.