Nyt papirlignende materiale kunne booste elbilbatterier

Forskere ved University of California, Riversides Bourns College of Engineering har udviklet et nyt papirlignende materiale til lithium-ion-batterier. Det har potentialet til at booste med flere gange den specifikke energi, eller mængden af ​​energi, der kan leveres pr. vægtenhed af batteriet.

Dette papirlignende materiale består af svampelignende silicium-nanofibre mere end 100 gange tyndere end menneskehår. Det kunne bruges i batterier til elektriske køretøjer og personlig elektronik.

Resultaterne er netop offentliggjort i et papir, "Mod skalerbare bindeløse elektroder:Carbon Coated Silicon Nanofiber Paper via Mg Reduction of Electrospun SiO2 Nanofibers, " i journalen Naturvidenskabelige rapporter . Forfatterne var Mihri Ozkan, professor i elektro- og computerteknik, Cengiz S. Ozkan, professor i maskinteknik, og seks af deres kandidatstuderende:Zach Favors, Hamed Hosseini Bay, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed, Robert Ionescu og Rachel Ye.

Nanofibrene blev produceret ved hjælp af en teknik kendt som elektrospinning, hvorved 20, 000 til 40, 000 volt påføres mellem en roterende tromle og en dyse, som udsender en opløsning, der hovedsageligt består af tetraethylorthosilicat (TEOS), en kemisk forbindelse, der ofte anvendes i halvlederindustrien. Nanofibrene udsættes derefter for magnesiumdamp for at producere den svamplignende siliciumfiberstruktur.

Konventionelt fremstillede lithium-ion batterianoder er fremstillet ved hjælp af kobberfolie belagt med en blanding af grafit, et ledende additiv, og et polymerbindemiddel. Men, fordi grafittens ydeevne næsten er blevet tappet ud, forskere eksperimenterer med andre materialer, såsom silicium, som har en bestemt kapacitet, eller elektrisk ladning pr. vægtenhed af batteriet, næsten 10 gange højere end grafit.

Problemet med silicium er, at det lider under betydelig volumenudvidelse, som hurtigt kan nedbryde batteriet. Siliciumnanofiberstrukturen skabt i Ozkans laboratorier omgår dette problem og gør det muligt at cykle batteriet hundredvis af gange uden væsentlig nedbrydning.

"Eliminering af behovet for metalstrømsamlere og inaktive polymerbindere, mens du skifter til et energitæt materiale som silicium, vil øge rækkevidden af ​​elektriske køretøjer betydeligt, "Favours sagde.

Denne teknologi løser også et problem, der har plaget fritstående, eller bindeløs, elektroder i årevis:skalerbarhed. Fritstående materialer dyrket ved hjælp af kemisk dampaflejring, såsom carbon nanorør eller silicium nanotråde, kan kun fremstilles i meget små mængder (mikrogram). Imidlertid, Favors var i stand til at producere flere gram silicium nanofibre ad gangen selv på laboratorieskalaen.

Forskernes fremtidige arbejde indebærer implementering af silicium-nanofibrene i et litium-ion-batteri med posecelleformat, som er et større batteriformat, der kan bruges i elbiler og bærbar elektronik.