Kvanteprikker lavet af fjolsguld øger batteriets ydeevne

Hvis du tilføjer kvanteprikker - nanokrystaller 10, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår - til et smartphone-batteri oplades det på 30 sekunder, men effekten varer kun i et par genopladningscyklusser.

Imidlertid, en gruppe forskere ved Vanderbilt University rapporterer i 11. november-udgaven af ​​tidsskriftet ACS Nano at de har fundet en måde at overvinde dette problem på:At lave kvanteprikkerne af jernpyrit, almindeligvis kendt som fjolsguld, kan producere batterier, der oplades hurtigt og fungerer i snesevis af cyklusser.

Forskerholdet ledet af adjunkt i maskinteknik Cary Pint og ledet af kandidatstuderende Anna Douglas blev interesseret i jernkis, fordi det er et af de mest udbredte materialer på jordens overflade. Det er produceret i råform som et biprodukt af kulproduktion og er så billigt, at det bruges i lithiumbatterier, der købes i butikken og smides ud efter en enkelt brug.

På trods af alle deres løfter, forskere har haft problemer med at få nanopartikler til at forbedre batteriets ydeevne.

"Forskere har vist, at materialer i nanoskala kan forbedre batterier væsentligt, men der er en grænse, " sagde Pint. "Når partiklerne bliver meget små, betyder generelt under 10 nanometer (40 til 50 atomer bred), nanopartiklerne begynder at reagere kemisk med elektrolytterne og kan derfor kun oplades og aflades et par gange. Så denne størrelsesordning er forbudt i kommercielle lithium-ion-batterier."

Hjælpet af Douglas' ekspertise i at syntetisere nanopartikler, holdet satte sig for at udforske dette "ultra lille" regime. De gjorde det ved at tilføje millioner af jernpyritkvantepunkter i forskellige størrelser til standard lithium -knapbatterier som dem, der bruges til at drive ure, fjernbetjeninger til bilnøgler og LED-lygter. De fik mest valuta for pengene, da de tilføjede ultrasmå nanokrystaller, der var omkring 4,5 nanometer store. Disse forbedrede væsentligt både batteriernes cykling og hastighedskapacitet.

Forskerne opdagede, at de fik dette resultat, fordi jernkis har en unik måde at ændre form til et jern og en lithium-svovlforbindelse (eller natriumsvovl) til at lagre energi. "Dette er en anden mekanisme end den måde, kommercielle lithium-ion-batterier opbevarer opladning på, hvor lithium indsættes i et materiale under opladning og ekstraheres under afladning - alt imens det efterlader det materiale, der opbevarer lithiumet, stort set uændret, "forklarede Douglas.

Ifølge Pint, "Du kan tænke på det som vaniljekage. At opbevare lithium eller natrium i konventionelle batterimaterialer er som at skubbe chokoladechips ind i kagen og derefter trække de intakte chips ud igen. Med de interessante materialer, vi studerer, du putter chokoladechips i vaniljekage, og det ændrer sig til en chokoladekage med vaniljechips."

Som resultat, reglerne, der forbyder brug af ultrasmå nanopartikler i batterier, gælder ikke længere. Faktisk, skalaerne vippes til fordel for meget små nanopartikler.

"I stedet for bare at indsætte lithium- eller natriumioner i eller ud af nanopartiklerne, opbevaring i jernkis kræver også diffusion af jernatomer. Desværre, jern diffunderer langsomt, kræver, at størrelsen er mindre end jerndiffusionslængden - noget, der kun er muligt med ultralette nanopartikler, "forklarede Douglas.

En vigtig observation af teamets undersøgelse var, at disse ultralette nanopartikler er udstyret med dimensioner, der tillader jernet at bevæge sig til overfladen, mens natrium eller lithium reagerer med svovlene i jernpyritten. De demonstrerede, at dette ikke er tilfældet for større partikler, hvor jernets manglende evne til at bevæge sig gennem jernpyritmaterialerne begrænser deres opbevaringsevne.

Pint mener, at forståelse af kemiske lagringsmekanismer og hvordan de afhænger af dimensioner i nanoskala er afgørende for at muliggøre udviklingen af ​​batteriydelse i et tempo, der står op til Moores lov og kan understøtte overgangen til elektriske køretøjer.

"Morgendagens batterier, der kan oplades på få sekunder og aflades på dage, vil ikke kun bruge nanoteknologi, de vil drage fordel af udviklingen af ​​nye værktøjer, der vil give os mulighed for at designe nanostrukturer, der kan modstå titusindvis af cyklusser og besidde energilagringskapacitet, der kan måle sig med benzin, " sagde Pint. "Vores forskning er et stort skridt i denne retning."