Nyt granatæble-inspireret design løser problemer for lithium-ion-batterier

med siliciumnanopartikler samlet som frø i en sej kulstofskorpe – overvinder adskillige resterende forhindringer for at bruge silicium til en ny generation af lithium-ion-batterier, siger dets opfindere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory.

"Mens der er et par udfordringer tilbage, dette design bringer os tættere på at bruge siliciumanoder i mindre, lettere og mere kraftfulde batterier til produkter som mobiltelefoner, tablets og elbiler, " sagde Yi Cui, en lektor ved Stanford og SLAC, der ledede forskningen, rapporteret i dag i Natur nanoteknologi .

"Eksperimenter viste, at vores granatæble-inspirerede anode fungerer med 97 procent kapacitet selv efter 1, 000 cyklusser af opladning og afladning, hvilket placerer det godt inden for det ønskede område for kommerciel drift."

Anoden, eller negativ elektrode, er hvor energien lagres, når et batteri oplades. Siliciumanoder kunne lagre 10 gange mere ladning end grafitanoderne i nutidens genopladelige lithium-ion-batterier, men de har også store ulemper:Det skøre silicium svulmer og falder fra hinanden under batteriopladning, og den reagerer med batteriets elektrolyt og danner snavs, der dækker anoden og forringer dens ydeevne.

I løbet af de sidste otte år, Cuis team har tacklet brudproblemet ved at bruge silicium nanotråde eller nanopartikler, der er for små til at bryde i endnu mindre stykker og indkapsle nanopartiklerne i kulstof "blommeskaller", der giver dem plads til at svulme og krympe under opladning.

Det nye studie bygger videre på det arbejde. Kandidatstuderende Nian Liu og postdoc-forsker Zhenda Lu brugte en mikroemulsionsteknik, der er almindelig i olien, malings- og kosmetikindustrier for at samle siliciumblommeskaller i klynger, og belagt hver klynge med en anden, tykkere lag kulstof. Disse kulskaller holder granatæbleklaserne sammen og giver en robust motorvej til elektriske strømme.

Og da hver granatæbleklynge kun har en tiendedel af overfladearealet af de individuelle partikler inde i sig, et meget mindre område udsættes for elektrolytten, derved reducere mængden af ​​gunk, der dannes, til et overskueligt niveau.

Selvom klyngerne er for små til at se individuelt, sammen danner de et fint sort pulver, der kan bruges til at belægge et stykke folie og danne en anode. Laboratorietest viste, at granatæbleanoder fungerede godt, når de blev lavet i den tykkelse, der kræves til kommerciel batteriydelse.

Mens disse eksperimenter viser, at teknikken virker, Cui sagde, holdet skal løse yderligere to problemer for at gøre det levedygtigt i kommerciel skala:De skal forenkle processen og finde en billigere kilde til siliciumnanopartikler. En mulig kilde er risskaller:De er uegnede til menneskeføde, produceret af millioner af tons og 20 vægtprocent siliciumdioxid. Ifølge Liu, de kunne relativt nemt omdannes til rene siliciumnanopartikler, som hans team for nylig beskrev i Scientific Reports.

"For mig er det meget spændende at se, hvor store fremskridt vi har gjort i de sidste syv eller otte år, " sagde Cui, "og hvordan vi har løst problemerne én efter én."