Ingeniøren forbedrer genopladelige batterier med MoS2 nano sandwich

Nøglen til bedre mobiltelefoner og anden genopladelig elektronik kan være i små "sandwich" lavet af nanosheets, ifølge maskinteknisk forskning fra Kansas State University.

Gurpreet Singh, adjunkt i maskin- og atomteknik, og hans forskerhold forbedrer genopladelige lithium-ion-batterier. Holdet har fokuseret på lithiumcykling af molybdendisulfid, eller MoS2, ark, som Singh beskriver som en "sandwich" af et molybdænatom mellem to svovlatomer.

I den seneste forskning, teamet har fundet ud af, at siliciumcarbonitridindpakket molybdendisulfidplader viser forbedret stabilitet som en batterielektrode med lille kapacitet falmning.

Resultaterne fremgår af Nature's Videnskabelige rapporter i artiklen "Polymer-afledt keramisk funktionaliseret MoS2Composite-papir som en stabil litiumionbatterielektrode." Andre involverede Kansas State University -forskere omfatter Lamuel David, doktorand i maskinteknik, Indien; Uriel Barrera, senior i maskinteknik, Olathe; og Romil Bhandavat, 2013 doktorgrad i maskinteknik.

I denne seneste publikation, Singhs team observerede, at molybdendisulfidark lagrer mere end dobbelt så meget lithium - eller ladning - end molybdendisulfid i bulk rapporteret i tidligere undersøgelser. Forskerne fandt også ud af, at disse arks høje litiumkapacitet ikke varer længe og falder efter fem opladningscyklusser.

"Denne form for adfærd ligner en type lithium-svovl, der bruger svovl som en af ​​dets elektroder, "Sagde Singh." Svovl er berygtet berømt for at danne mellemliggende polysulfider, der opløses i batteriets organiske elektrolyt, hvilket fører til, at kapaciteten falder. Vi mener, at kapacitetsfaldet i molybdendisulfidark også skyldes tab af svovl i elektrolytten. "

For at reducere opløsningen af ​​svovlbaserede produkter i elektrolytten, forskerne indpakket molybdendisulfidpladerne med et par lag af en keramik kaldet siliciumcarbonitrid, eller SiCN. Keramikken er en høj temperatur, glasagtigt materiale fremstillet ved opvarmning af flydende siliciumbaserede polymerer og har meget højere kemisk modstand mod den flydende elektrolyt, Sagde Singh.

"De siliciumcarbonitridindpakkede molybdendisulfidplader viser stabil cyklus af lithiumioner, uanset om batterielektroden er på traditionel kobberfolie eller som et selvbærende fleksibelt papir som i bøjelige batterier, "Sagde Singh.

Efter reaktionerne, forskergruppen adskilte og observerede også cellerne under elektronmikroskopet, som fremlagde bevis for, at siliciumcarbonitrid beskyttede mod mekanisk og kemisk nedbrydning med flydende organisk elektrolyt.

Singh og hans team ønsker nu bedre at forstå, hvordan molybdæn -disulfidcellerne kan opføre sig i en daglig elektronisk enhed - f.eks. En mobiltelefon - der genoplades flere hundrede gange. Forskerne vil fortsætte med at teste molybdendisulfidcellerne under genopladningscyklusser for at have flere data at analysere og for bedre at forstå, hvordan man kan forbedre genopladelige batterier.

Anden forskning fra Singhs team kan hjælpe med at forbedre belægninger ved høj temperatur til rumfart og forsvar. Ingeniørerne udvikler et belægningsmateriale til beskyttelse af elektrodematerialer mod barske forhold, såsom turbineblade og metaller udsat for intens varme.

Forskningen fremgår af Journal of Physical Chemistry. Forskerne viste, at når siliciumcarbonitrid og bornitrid nanosheets kombineres, de har høj temperaturstabilitet og forbedret elektrisk ledningsevne. Derudover disse siliciumcarbonitrid/bornitrid nanosheets er bedre batterielektroder, Sagde Singh.

"Dette var ganske overraskende, fordi både siliciumcarbonitrid og bornitrid er isolatorer og har ringe reversibel kapacitet for lithium-ioner, "Singh sagde." Yderligere analyse viste, at den elektriske ledningsevne blev forbedret på grund af dannelsen af ​​et perkolationsnetværk af carbonatomer kendt som 'frit kulstof', der er til stede i siliciumcarbonitrid -keramikfasen. Dette sker kun, når bornitridplader tilsættes til siliciumcarbonitrid -forstadiet i dens flydende polymere fase, før hærdning opnås. "