Billig materiale øger batterikapaciteten

Batteridrevne biler giver mange miljømæssige fordele, men en bil med en fuld tank benzin kan rejse længere. Ved at forbedre energikapaciteten af ​​lithium-ion-batterier, en ny elektrode lavet af jernoxid-nanopartikler kunne hjælpe elektriske køretøjer med at tilbagelægge større afstande.

Udviklet af Zhaolin Liu fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, og Aishui Yu fra Fudan University, Kina, og kolleger, elektrodematerialet er billigt, velegnet til produktion i stor skala og kan lagre højere ladningstætheder end de konventionelle elektroder, der bruges i lithium-ion-batterier.

Disse batterier lagrer og frigiver energi ved at flytte lithiumioner mellem to elektroder forbundet i et kredsløb. Under opladning, lithium-ioner undslipper fra katoden, som er lavet af materialer som lithium cobalt oxid. Ionerne migrerer gennem en flydende elektrolyt og ind i anoden, som normalt er lavet af grafit fyldt med bittesmå porer. Når batteriet aflades, processen kører omvendt, genererer en elektrisk strøm mellem elektroderne.

Jernoxider har en meget højere ladekapacitet end grafit, men processen er langsom. At tvinge lithiumioner ind i materialet ændrer også dets volumen, ødelægger anoden efter blot et par opladningscyklusser.

Liu, Yu og teamet begrundede, at en anode lavet af jernoxidnanopartikler ville oplades hurtigere, fordi dens porer ville give let adgang til lithiumioner. Porerne kan også tillade materialets struktur at ændre sig, efterhånden som ionerne pakkes ind.

Forskerne lavede 5 nanometer brede partikler af et jernoxid kendt som α-Fe ₂ O ₃ , blot ved at opvarme jernnitrat i vand. De blandede partiklerne med et støv kaldet kønrøg, bandt dem sammen med polyvinylidenfluorid og coated blandingen på kobberfolie for at lave deres anoder.

Under den første runde af opladning og afladning, anoderne viste en effektivitet på 75-78 %, afhængig af den anvendte strømtæthed. Efter ti mere cyklusser, imidlertid, effektiviteten forbedret til 98 %, næsten lige så høj som kommercielle lithium-ion-batterier. Forskning fra andre hold tyder på, at i løbet af de første par cyklusser, jernoxidnanopartiklerne nedbrydes, indtil de når en optimal størrelse.

Efter 230 cyklusser forblev anodens effektivitet på 97 %, med en kapacitet på 1, 009 milliampere timer pr. gram (mA h g ⁻¹ )—næsten tre gange større end kommercielle grafitanoder. Materialet oplevede ingen af ​​de nedbrydningsproblemer, der har plaget andre jernoxidanoder.

Holdet arbejder nu på at optimere nanopartikelsyntesen og øge effektiviteten af ​​anodens indledende opladningscyklusser.