Elastiske ledningsformede lithium-ion-batterier med høj elektrokemisk ydeevne

Fleksible smartphones, "intelligente" armbånd, briller med en indbygget computer:for at disse tendenser kan tage fart, vi har brug for egnede elsystemer. Kinesiske forskere har nu udviklet et trådformet lithiumionbatteri, der indeholder elektroder bestående af to sammensatte garner fremstillet af kulnanorør og lithiumtitanoxid eller lithiummanganoxid. Som forskerne rapporterer i tidsskriftet Angewandte Chemie , de var i stand til at væve deres batterier ind i lys, fleksibel, elastisk, og sikre tekstilbatterier med høj energitæthed.

Tidligere metoder til fremstilling af trådformede elektrokemiske superkapacitorer ved at vride to fiberelektroder sammen resulterede i systemer med ringere ydelse, der forhindrede dem i at blive bragt til markedet. Lithium-ion-batterier kan opnå væsentligt højere energitæthed, men har ikke tidligere været fremstillet i trådform. Ud over andre barrierer, sikkerhedsproblemerne forbundet med lithium -ion -batterier spiller virkelig ind. Kilden til sikkerhedsproblemet er dendritisk lithium, som kan dannes under overopladning, "vokser" ud af anoden og forårsager en kortslutning. Dette kan få batteriet til at antænde. Dette forekommer især kritisk for trådformede batterier, der kan strækkes, snoet, og bøjet under brug.

Et team ledet af Huisheng Peng fra Fudan University i Shanghai er nu lykkedes med at producere ledningsformede lithium-ion-batterier, der har en høj energitæthed og samtidig er sikre. Deres succes skyldes den særlige struktur samt de anvendte materialer. Anoden og katoden er to fibre lavet af parallelle multivæggede carbon -nanorør, der enten indeholder lithiumtitaniumoxid (LTO) eller lithiummanganoxid (LMO) partikler, henholdsvis. Når batteriet oplades, lithium-ioner overføres fra LMO-gitteret til elektrolytten og derefter ind i anodens LTO-gitter. Den omvendte proces sker, mens batteriet aflades. Fordi Li-indsættelsen finder sted ved ~1,5 V (vs. Li/Li+) for den anvendte LTO-kompositelektrode, chancen for kortslutning forårsaget af dendritisk lithium ville være lille, og derfor er batterierne sikre.

De parallelle arrangementer af kontinuerlige kulstofnanorør holder nanopartiklerne; de er også effektive veje til ladningstransport og fungerer som strømaftagere. De to elektrodegarner er anbragt parallelt, adskilt af et lag isolator, og indesluttet i et varmekrympeligt rør. For at gøre ledningerne elastiske, de kan vikles omkring en elastisk fiber, såsom polydimethylsiloxan, og belægges med en tyndt lag gelelektrolyt. Hverken gentagen strækning til det dobbelte af dens oprindelige længde eller tusindvis af deformationscyklusser reducerer batterikapaciteten.

De trådformede batterier kan snurres til lange fibre og væves i et stof, der kan inkorporeres i tekstiler.