Udlåste nanorør frigør potentialet for batterier

(Phys.org) – Forskere ved Rice University har fundet frem til en ny måde at øge effektiviteten af ​​det allestedsnærværende lithium-ion (LI) batteri ved at bruge bånd af grafen, der starter som kulstofnanorør.

Proof-of-concept anoder - den del af batteriet, der lagrer lithium-ioner - bygget med grafen nanobånd (GNR'er) og tinoxid viste en initial kapacitet bedre end den teoretiske kapacitet af tinoxid alene, ifølge Rice kemiker James Tour. Efter 50 opladnings-afladningscyklusser, testenhederne beholdt en kapacitet, der stadig var mere end det dobbelte af den grafit, der i øjeblikket bruges til LI-batterianoder.

Forskningen udkom i denne uge i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

Bedre batterier er stærkt ønsket af alle, der bærer en mobiltelefon eller computer eller kører en elbil. Rice-teamet ser potentialet for, at GNR'er kan bidrage til deres udvikling.

Tour og hans kolleger udviklede en metode til at pakke nanorør ud i GNR'er, afsløret i en forsidehistorie i Nature fra 2009. Siden da, forskerne har fundet ud af, hvordan man laver grafen nanobånd i løs vægt og bevæger sig mod kommercielle applikationer. Et område, der er modent til forbedring, er det ydmyge batteri. I en stadig mere mobil verden, batterikapaciteten er ved at blive en flaskehals, der generelt begrænser enheder til mindre end en dags brug.

I de nye forsøg, rislaboratoriet blandede grafen nanobånd og tinoxidpartikler omkring 10 nanometer brede i en opslæmning med et cellulosegummibindemiddel og en smule vand, spredes det på en strømaftager og indkapslede det i et batteri i knapstil. GNR'er er et enkelt atom tykke og tusindvis af gange længere, end de er brede. GNR'erne adskiller og understøtter ikke kun tinoxidet, men hjælper også med at levere lithiumioner til nanopartiklerne.

Laboratorietest viste indledende ladekapaciteter på mere end 1, 520 milliampere timer pr. gram (mAh/g). Over gentagne opladnings-afladningscyklusser, materialet lagde sig til et fast stof på 825 mAh/g. "Det tog omkring to måneder at gå igennem 50 cyklusser, " sagde hovedforfatter Jian Lin, en postdoc forsker ved Rice, der mener, at den kunne klare mange flere uden at miste væsentlig kapacitet.

GNR'er kan også hjælpe med at overvinde en stor vanskelighed med udvikling af LI-batterier. Lithium-ioner har en tendens til at udvide det materiale, de bebor, og materialet trækker sig sammen, når de trækkes væk. Over tid, materialer som silicium, som viser ekstraordinær kapacitet for lithium, nedbrydes og mister deres evne til at lagre ioner. Andre laboratorier på Rice har lavet gennembrud, der hjælper med at løse udvidelsesproblemet ved at bryde behandlet silicium til et pulver, opnår stor kapacitet og mange cyklusser.

GNR'er har en anden tilgang ved at give batterier en grad af fleksibilitet, sagde Tour. "Graphene nanobånd danner en fantastisk ramme, der holder tinoxidnanopartiklerne spredt og forhindrer dem i at fragmentere under cykling, " sagde han. "Da tinoxidpartiklerne kun er nogle få nanometer store og får lov til at forblive på den måde ved at blive spredt på GNR-overflader, volumenændringerne i nanopartiklerne er ikke dramatiske. GNR'er giver også en letvægts, ledende ramme, med deres høje billedformat og ekstreme tyndhed."

Forskerne påpegede, at arbejdet er et "udgangspunkt for at udforske kompositter fremstillet af GNR'er og andre overgangsmetaloxider til lithiumlagringsapplikationer." Lin sagde, at laboratoriet planlægger at bygge batterier med andre metalliske nanopartikler for at teste deres cykel- og opbevaringskapacitet.