Nanopartikel-netværk kunne bringe hurtigt opladede batterier

(Phys.org) – Et nyt elektrodedesign til lithium-ion-batterier har vist sig potentielt at reducere opladningstiden fra timer til minutter ved at erstatte den konventionelle grafitelektrode med et netværk af tinoxid-nanopartikler.

Batterier har to elektroder, kaldet en anode og en katode. Anoderne i de fleste af nutidens lithium-ion-batterier er lavet af grafit.

Den teoretiske maksimale lagerkapacitet for grafit er meget begrænset, ved 372 milliampere timer pr. gram, hindrer betydelige fremskridt inden for batteriteknologi, sagde Vilas Pol, en lektor i kemiteknik ved Purdue University.

Forskerne har udført eksperimenter med en "porøs sammenkoblet" tinoxidbaseret anode, som har næsten det dobbelte af den teoretiske ladekapacitet af grafit. Forskerne viste, at den eksperimentelle anode kan oplades på 30 minutter og stadig har en kapacitet på 430 milliampere timer pr. gram (mAh g−1), hvilket er større end den teoretiske maksimale kapacitet for grafit, når den oplades langsomt over 10 timer.

Anoden består af et "ordnet netværk" af indbyrdes forbundne tinoxidnanopartikler, der ville være praktiske til kommerciel fremstilling, fordi de syntetiseres ved at tilsætte tinalkoxidprecursoren i kogende vand efterfulgt af varmebehandling, sagde Pol.

"Vi bruger ikke nogen sofistikeret kemi her, " sagde Pol. "Dette er meget ligetil hurtig 'tilberedning' af en metal-organisk forløber i kogende vand. Precursorforbindelsen er et fast tinalkoxid - et materiale analogt med omkostningseffektive og bredt tilgængelige titaniumalkoxider. Det vil helt sikkert blive fuldt overkommeligt i perspektivet med bred anvendelse, nævnt af samarbejdspartnerne Vadim G. Kessler og Gulaim A. Seisenbaeva fra det svenske landbrugsuniversitet."

Resultaterne er beskrevet i et papir offentliggjort i november i tidsskriftet Avancerede energimaterialer .

Når tinoxidnanopartikler opvarmes til 400 grader Celsius "samler de sig selv" til et netværk, der indeholder porer, der tillader materialet at udvide sig og trække sig sammen, eller trække vejret, under opladning/afladning af batteriet.

"Disse rum er meget vigtige for denne arkitektur, " sagde Purdue postdoktorale forskningsassocierede Vinodkumar Etacheri. "Uden den korrekte porestørrelse, og sammenkobling mellem individuelle tinoxidnanopartikler, batteriet svigter."

Forskningspapiret er forfattet af Etacheri; Forskere ved det svenske landbrugsuniversitet, Gulaim A. Seisenbaeva, Geoffrey Daniel og Vadim G. Kessler; James Caruthers, Purdues Gerald og Sarah Skidmore professor i kemiteknik; Jean-Marie Nedelec, en forsker fra Clermont Université i Frankrig; og Pol.