Portabella-svampenes porøse struktur er nøglen til at lave effektive batterier

Kan portabella-svampe forhindre, at mobiltelefonbatterier nedbrydes over tid? Forskere ved University of California, Riverside Bourns College of Engineering mener det.

De har skabt en ny type lithium-ion batteri anode ved hjælp af portabella svampe, som er billige, miljøvenlig og nem at producere. Den nuværende industristandard for genopladelige lithium-ion batterianoder er syntetisk grafit, som kommer med høje produktionsomkostninger, fordi det kræver kedelige oprensnings- og forberedelsesprocesser, der også er skadelige for miljøet.

Med den forventede stigning i batterier, der er nødvendige for elektriske køretøjer og elektronik, en billigere og bæredygtig kilde til udskiftning af grafit er nødvendig. Brug af biomasse, et biologisk materiale fra levende eller nyligt levende organismer, som erstatning for grafit, har tiltrukket sig opmærksomhed på grund af dets høje kulstofindhold, lave omkostninger og miljøvenlighed.

UC Riverside-ingeniører blev tiltrukket af at bruge svampe som en form for biomasse, fordi tidligere forskning har fastslået, at de er meget porøse, hvilket betyder, at de har en masse små rum, hvor væske eller luft kan passere igennem. Denne porøsitet er vigtig for batterier, fordi den skaber mere plads til lagring og overførsel af energi, en kritisk komponent til at forbedre batteriets ydeevne.

Ud over, den høje kaliumsaltkoncentration i svampe giver mulighed for øget elektrolytaktivt materiale over tid ved at aktivere flere porer, gradvist at øge sin kapacitet.

En konventionel anode giver lithium fuld adgang til det meste af materialet i løbet af de første par cyklusser, og kapaciteten falmer fra elektrodeskader opstår fra det tidspunkt. Svampe-carbonanodeteknologien kunne, med optimering, udskift grafitanoder. Det giver også en bindemiddelfri og strømaftagerfri tilgang til anodefremstilling.

"Med batterimaterialer som dette, fremtidige mobiltelefoner kan se en stigning i køretid efter mange brug, snarere end et fald, på grund af tilsyneladende aktivering af blinde porer i kulstofarkitekturerne, når cellen oplades og aflades over tid, " sagde Brennan Campbell, en kandidatstuderende på Materials Science and Engineering-uddannelsen på UC Riverside.

Forskningsresultaterne blev skitseret i et papir, "Bio-afledt, Uden bindemiddel, Hierarkisk porøse kulstofanoder til Li-ion-batterier, " offentliggjort i dag (29. september) i tidsskriftet Videnskabelige rapporter . Det blev forfattet af Cengiz Ozkan og Mihri Ozkan, begge professorer ved Bourns College of Engineering, og tre af deres nuværende eller tidligere kandidatstuderende:Campbell, Robert Ionescu og Zachary Favors.

Nanocarbon-arkitekturer afledt af biologiske materialer såsom svampe kan betragtes som et grønt og bæredygtigt alternativ til grafitbaserede anoder, sagde Cengiz Ozkan, en professor i maskinteknik og materialevidenskab og teknik.

De nano-båndlignende arkitekturer omdannes ved varmebehandling til en sammenkoblet porøs netværksarkitektur, som er vigtig for batterielektroder, fordi sådanne arkitekturer har et meget stort overfladeareal til lagring af energi, en kritisk komponent til at forbedre batteriets ydeevne.

Et af problemerne med konventionelt kulstof, såsom grafit, er, at de typisk fremstilles med kemikalier såsom syrer og aktiveres af baser, der ikke er miljøvenlige, sagde Mihri Ozkan, professor i elektro- og computerteknik. Derfor, UC Riverside-teamet er fokuseret på naturligt afledt kulstof, såsom huden på hætterne af portabella-svampe, til fremstilling af batterier.

Det forventes, at næsten 900, 000 tons naturlig rå grafit ville være nødvendig til anodefremstilling for næsten seks millioner elektriske køretøjer, der forventes at blive bygget i 2020. Dette kræver, at grafitten behandles med skrappe kemikalier, herunder flussyre og svovlsyre, en proces, der skaber store mængder farligt affald. Den Europæiske Union forventer, at denne proces vil være uholdbar i fremtiden.

Ozkans forskning støttes af University of California, Riverside.

Denne artikel, der involverer svampe, udgives lidt over et år efter, at Ozkans laboratorier udviklede en lithium-ion batterianode baseret på nanosilicium via strandsand som det naturlige råmateriale. Ozkans team arbejder i øjeblikket på udviklingen af ​​poseprototypebatterier baseret på nanosiliciumanoder.

UCR Office of Technology Commercialization har indgivet patenter for ovenstående opfindelser.