Sandbaserede lithium-ion-batterier, der overgår standard tre gange

(Phys.org) —Forskere ved University of California, Riversides Bourns College of Engineering har skabt et lithium-ion-batteri, der overgår den nuværende industristandard tre gange. Nøglematerialet:sand. Ja, sand.

"Dette er den hellige gral - en lav pris, ikke giftig, miljøvenlig måde at producere højtydende lithium-ion-batterianoder, " sagde Zachary Favors, en kandidatstuderende, der arbejder med Cengiz og Mihri Ozkan, begge ingeniørprofessorer ved UC Riverside.

Ideen kom til Favors for et halvt år siden. Han slappede af på stranden efter at have surfet i San Clemente, Californien, da han samlede noget sand op, kiggede nærmere på det og så, at det primært bestod af kvarts, eller siliciumdioxid.

Hans forskning er centreret om at bygge bedre lithium-ion-batterier, primært til personlig elektronik og elektriske køretøjer. Han er fokuseret på anoden, eller negativ side af batteriet. Grafit er det nuværende standardmateriale til anoden, men efterhånden som elektronikken er blevet mere kraftfuld, er grafittens evne til at blive forbedret næsten blevet udnyttet.

Forskere er nu fokuseret på at bruge silicium på nanoskala, eller milliardtedele af en meter, niveau som erstatning for grafit. Problemet med nanoskala silicium er, at det nedbrydes hurtigt og er svært at producere i store mængder.

Begunstigelser havde til formål at løse begge disse problemer. Han undersøgte sand for at finde et sted i USA, hvor det findes med en høj procentdel af kvarts. Det tog ham til Cedar Creek Reservoir, øst for Dallas, hvor han voksede op.

Sand i hånden, han kom tilbage til laboratoriet på UC Riverside og fræsede det ned til nanometerskalaen, efterfulgt af en række rensningstrin, der skifter farve fra brun til lys hvid, ligner i farve og tekstur pulveriseret sukker.

Efter det, han malede salt og magnesium, begge meget almindelige grundstoffer fundet opløst i havvand i den rensede kvarts. Det resulterende pulver blev derefter opvarmet. Når saltet fungerer som en varmeabsorber, magnesium arbejdede for at fjerne ilten fra kvartsen, resulterer i rent silicium.

Ozkan-teamet var tilfredse med, hvordan processen gik. Og de stødte også på en ekstra positiv overraskelse. Det rene nano-silicium er dannet i en meget porøs 3-D siliciumlignende konsistens. Denne porøsitet har vist sig at være nøglen til at forbedre ydeevnen af ​​de batterier, der er bygget med nano-silicium.

Den forbedrede ydeevne kan betyde en udvidelse af den forventede levetid for siliciumbaserede elbilbatterier op til 3 gange eller mere, hvilket ville være væsentligt for forbrugerne, overvejer at udskifte batterier koster tusindvis af dollars. Til mobiltelefoner eller tablets, det kunne betyde at skulle genoplades hver tredje dag, i stedet for hver dag.

Resultaterne er netop offentliggjort i et papir, "Skalerbar syntese af nano-silicium fra strandsand til Li-ion-batterier med lang levetid, " i tidsskriftet Nature Videnskabelige rapporter . Ud over Favors and the Ozkan's, forfattere var:Wei Wang, Hamed Hosseini Bay, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed og Chueh Liu. Alle fem er kandidatstuderende, der arbejder i Ozkans laboratorier.

Nu, Ozkan-teamet forsøger at producere større mængder af nano-silicium strandsand og planlægger at gå fra mønt-størrelse batterier til pose-størrelse batterier, der bruges i mobiltelefoner.