Nikkel-skum-understøttet carbon-nanorør-elektrode giver forbedret ydeevne til lette lithium-batterier

Lithium-ilt-batterier er innovative enheder, der genererer strøm fra atmosfærisk ilt fanget inde i porøse, kulstofbaserede elektroder. Disse batterier er væsentligt lettere end traditionelle lithium-ion-batterier, og dermed har potentialet til at udvide rækkevidden af ​​el- og hybridbiler. Imidlertid, der er mange praktiske udfordringer tilbage for lithium-ilt-batterier, Det mest bemærkelsesværdige er opbygningen af ​​uopløselige lithiumperoxidbiprodukter i kulelektroden, hvilket kan få batteriet til at stoppe driften efter kun et par opladningscyklusser.

Nu, Zhaolin Liu fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore, i samarbejde med Aishui Yu og kolleger fra Fudan University i Kina, har udviklet en carbon nanorørelektrode, der kan afhjælpe genopladningsproblemer i lithium-ilt-batterier, takket være en støtte lavet af tredimensionelt nikkelskum1.

I tidligere bestræbelser på at forbedre ydeevnen af ​​lithium-ilt-batterier, forskere undersøgte adskillige typer af permeable kulstofelektroder - inklusive trækul med højt overfladeareal, grafen og porøse aerogeler. Sådanne tilgange, imidlertid, stole på limlignende bindemidler til at holde kulstofpartiklerne sammen. Disse bindemidler nedsætter iltdiffusionshastighederne gennem elektroden og kan nedbryde og tilstoppe porerum.

Liu og kolleger satte sig for at designe en bindemiddelfri elektrode ved at vende sig til nikkelskum, et billigt stof med en porøs tredimensionel struktur, der gør den både stiv og let. For at sikre skummets kompatibilitet med lithium-ilt-batterier, holdet dyrkede kulstof nanorør dopet med små mængder nitrogen direkte på overfladen. Nitrogen-doterede carbon-nanorør-elektroder har vist sig at have katalytisk aktivitet, der øger batterilevetiden, og holdet forventede, at de kunne skabe forbedrede enheder ved at understøtte disse nanomaterialer med nikkelskum.

Ved hjælp af kemisk dampaflejring, forskerne var i stand til at dække nikkelskummet med lag af dopede kulstofnanorør arrangeret i typiske bambuslignende strukturer. Disse nanorør var løst pakket og bidrog til et netværk af store, indbyrdes forbundne tunneler i hele skummet. Ifølge Liu, disse tunneler letter iltdiffusion og giver kritiske hulrum, hvor lithiumperoxid kan aflejres uden at begrænse batteriets ydeevne.

Da de målte ydeevnen af ​​deres bindemiddelfri elektrode, holdet fandt ud af, at det kunne levere dobbelt så meget elektrisk kapacitet som en ren-nitrogen-doteret kulstof-nanorør-elektrode. Liu bemærker, at den stærke elektriske kontakt mellem nanorørene og nikkelstøtten undertrykker volumenudvidelsen og begrænser polarisationseffekterne, der hindrer batteriopladning. "Det næste skridt vil være at anvende disse elektroder i rigtige lithium-ilt-batterier, " han siger.