Ingeniører bygger papirlignende batterielektrode med glaskeramik

En papirlignende batterielektrode udviklet af en ingeniør fra Kansas State University kan forbedre værktøjer til rumudforskning eller ubemandede luftfartøjer.

Gurpreet Singh, lektor i mekanik og nuklear teknik, og hans forskerhold skabte batterielektroden ved hjælp af siliciumoxycarbidglas og grafen.

Batterielektroden har alle de rigtige egenskaber. Det er mere end 10 procent lettere end andre batterielektroder. Den har tæt på 100 procent cykluseffektivitet for mere end 1000 opladningsafladningscyklusser. Den er lavet af billige materialer, der er biprodukter fra silikoneindustrien. Og den fungerer ved temperaturer helt ned til minus 15 grader C, hvilket giver den adskillige luft- og rumapplikationer.

Forskningen vises i Naturkommunikation artiklen "Silicon oxycarbid glas-grafen komposit papir elektrode til lang-cyklus lithium-ion batterier."

Singhs forskerhold har udforsket nye materialekombinationer til batterier og elektrodedesign. Det har været vanskeligt at inkorporere grafen og silicium i praktiske batterier på grund af udfordringer, der opstår ved høje massebelastninger - såsom lav kapacitet pr. volumen, dårlig cykeleffektivitet og kemisk-mekanisk ustabilitet.

Singhs team har adresseret disse udfordringer ved at fremstille en selvbærende og klar-til-brug-elektrode, der består af en glasagtig keramik kaldet siliciumoxycarbid, der er klemt mellem store blodplader af kemisk modificeret grafen, eller CMG. Elektroden har en høj kapacitet på cirka 600 miliampere-timer pr. gram - 400 miliampere-timer pr. kubikcentimeter - som er afledt af siliciumoxycarbid. Det papirlignende design er lavet af 20 procent kemisk modificerede grafen-blodplader.

"Det papirlignende design er markant anderledes end de elektroder, der bruges i nutidens batterier, fordi det eliminerer metalfolieunderstøtningen og polymerlimen - som begge ikke bidrager til batteriets kapacitet, " sagde Singh.

Designet, som Singhs team udviklede, sparede cirka 10 procent af cellens samlede vægt. Resultatet er en letvægtselektrode, der er i stand til at lagre lithium-ion og elektroner med næsten 100 procent cykluseffektivitet i mere end 1000 opladningsafladningscyklusser. Det vigtigste aspekt er, at materialet er i stand til at demonstrere en sådan præstation på praktiske niveauer, sagde Singh.

Papirelektrodecellerne er også i stand til at levere en kapacitet på 200 miliampere-timer pr. gram, selv når de holdes ved minus 15 grader C i omkring en måned, hvilket er ret bemærkelsesværdigt i betragtning af, at de fleste batterier ikke klarer sig ved så lave temperaturer, sagde Singh.

"Dette tyder på, at genopladelige batterier fra silicium-glas- og grafenelektroder også kan være velegnede til ubemandede luftfartøjer, der flyver i store højder, eller måske endda rumapplikationer, " sagde Singh.

Selve siliciumoxycarbidmaterialet er ret specielt, sagde Singh. Det fremstilles ved at opvarme en flydende harpiks til det punkt, hvor den nedbrydes og omdannes til skarpe glaslignende partikler. Silicium, kulstof- og oxygenatomer bliver omarrangeret til tilfældig 3-D-struktur, og eventuelt overskydende kulstof udfældes ud i cellulære områder. En sådan åben 3D-struktur skaber store steder til reversibel lithiumlagring og glatte kanaler til lithium-ion-transport. Denne struktur og mekanisme for lithiumlagring er anderledes end krystallinske siliciumelektroder. Siliciumoxycarbidelektroder forventes at være lave omkostninger, fordi råmaterialet - flydende harpiks - er et biprodukt fra silikoneindustrien.

Bevæger sig fremad, Singh og hans team ønsker at løse praktiske udfordringer. Singhs mål er at producere dette elektrodemateriale i endnu større dimensioner. For eksempel, Nuværende blyantcellebatterier bruger grafitbelagte kobberfolieelektroder, der er mere end én fod lange. Holdet vil også gerne udføre mekaniske bøjningstests for at se, hvordan de påvirker ydeevneparametre.

"Ultimativt, vi vil gerne samarbejde med industrien for at udforske produktionen af ​​lithium-ion batteri fuldceller, " sagde Singh. "Siliconoxycarbid kan også fremstilles ved 3-D-print, hvilket er et andet område af interesse for os."