På jagt efter bedre lithium-luft-batterier, kemikere øger kulstofstabiliteten

At drive en bil, så den kan køre hundredvis af kilometer ad gangen, Fremtidens lithium-ion-batterier bliver nødt til at rumme mere energi uden at blive for store i størrelse.

Det er et af de dilemmaer, der står over for bestræbelserne på at drive biler gennem genopladelige batteriteknologier. For at holde nok energi til at muliggøre en biltur på 300-500 miles før genopladning, nuværende lithium-ion-batterier bliver for store eller for dyre.

I søgningen efter "post-lithium-ion" batteri, Lektor i kemi Dunwei Wang har udviklet materialer, der en dag kan gøre det muligt at fremstille nye batterier, der er i stand til at opfylde strømkravene inden for størrelses- og omkostningsbegrænsningerne for bilproducenter og andre industrier.

I en nylig rapport offentliggjort i det tyske tidsskrift Angewandt Chemie , Wang og en kollega fra University of Massachusetts Amherst afslørede en ny metode til at stabilisere kulstof - en central strukturel komponent i ethvert batteri - som kunne bane vejen for nye ydeevnestandarder i jagten på en lithium-ion-komponent.

Centralt i søgen efter forbedret ydeevne er evnen til at tabe vægt og dyre kemiske komponenter. Forskere, der forfølger et "lithium-luft"-batteri, har fokuseret på en kemisk reaktion mellem lithium og oxygen, som kan trækkes fra luften. Men de materialer, der blev brugt til at generere denne reaktion, har vist dårlige livscyklusser, varer ved blot et par opkrævninger.

Den skyldige, sagde Wang, er kulstofs ustabilitet, en vigtig strukturel støtte til et batteris elektrode, en konduktor, hvor ladninger samles og afgives.

"Carbon bruges i hvert batteri, fordi det har den kombination af lave omkostninger, let vægt og ledningsevne, " sagde Wang. "Du kan ikke bare skrotte det."

Så Wang og UMass assisterende professor i kemiteknik Wei Fan gik i gang med at forbedre ydeevnen af ​​en nyudviklet form for kulstof fremstillet af Fan. Det kaldes tredimensionelt ordnet mesoporøst (3DOm) kulstof, og videnskabsmænd værdsætter det for dets meget ordnede struktur.

Ved at anvende en teknik kaldet atomisk lagaflejring (ALD), forskerne dyrkede en tynd belægning af jernoxid på kulstoffet, et trin, der forbedrede reaktiviteten mellem lithium og oxygen og forbedrede ydeevnen på ladecyklussen. Næste, de brugte ALD til at påføre en belægning af palladiumnanopartikler, som effektivt reducerede kulstofs forringelsesreaktion med ilt og forbedrede udledningscyklussen.

Deres indledende test af materialet viste markant forbedring af ydeevnen.

"Vi demonstrerede, at en bestemt form for kulstof kan bruges til at understøtte en ny type kemi, der giver mulighed for energilagring med løftet om fem til 10 gange mere energitæthed end avancerede lithium-ion-batterier, vi ser i dag , " sagde Wang. "Vi ser dette som en væsentlig forbedring af batteriets cyklerbarhed, hvilket er et nøglespørgsmål."

Wang sagde, at resultaterne viser, at 3DOm-carbon kan opfylde nye præstationsstandarder, når det er stabiliseret.

"Den nøgleinnovation, vi laver her, er, at 3DOm kulstof er stabilt - vi har stabiliseret noget, der ikke tidligere var stabilt, " sagde Wang.