Forskere tilbereder nye batterianoder med vilde svampe

Kulfibre afledt af en bæredygtig kilde, en slags vild svampe, og modificeret med nanopartikler har vist sig at overgå konventionelle grafitelektroder til lithium-ion-batterier.

Forskere ved Purdue University har skabt elektroder fra en art af vild svamp kaldet Tyromyces fissilis.

"Nuværende state-of-the-art lithium-ion-batterier skal forbedres i både energitæthed og effekt for at imødekomme den fremtidige efterspørgsel efter energilagring i elektriske køretøjer og netenergilagringsteknologier, sagde Vilas Pol, en lektor på School of Chemical Engineering og School of Materials Engineering. "Så der er et dybt behov for at udvikle nye anodematerialer med overlegen ydeevne."

Batterier har to elektroder, kaldet en anode og en katode. Anoderne i de fleste af nutidens lithium-ion-batterier er lavet af grafit. Litiumioner findes i en væske kaldet en elektrolyt, og disse ioner lagres i anoden under genopladning.

Pol og ph.d.-studerende Jialiang Tang har fundet ud af, at kulfibre afledt af Tyromyces fissilis og modificeret ved at fastgøre cobaltoxid-nanopartikler udkonkurrerer konventionel grafit i anoderne. Hybriddesignet har et synergistisk resultat, sagde Pol.

"Både kulfibrene og koboltoxidpartiklerne er elektrokemisk aktive, så dit kapacitetsnummer går højere, fordi de begge deltager, " han sagde.

Hybridanoderne har en stabil kapacitet på 530 milliampere timer pr. gram, hvilket er halvanden gang større end grafits kapacitet.

Resultaterne er beskrevet i et papir, der vises online den 17. marts i American Chemical Society's Bæredygtig kemi og teknik tidsskrift.

En tilgang til at forbedre batteriets ydeevne er at modificere kulfibre ved at fastgøre visse metaller, legeringer eller metaloxider, der giver mulighed for øget opbevaring af lithium under genopladning. Tang fik ideen om at tappe svampe til råvarer, mens han forskede i alternative kilder til kulfibre.

"De metoder, der nu bruges til at producere kulfibre til batterier, er ofte kemisk tunge og dyre, "Sagde Tang.

Han bemærkede en svamp, der voksede på en rådnende træstub i hans baghave, og besluttede at studere dens potentiale som en kilde til kulfibre.

"Jeg var nysgerrig efter strukturen, så jeg skar den op og fandt ud af, at den har meget interessante egenskaber, " sagde han. "Det er meget gummiagtigt og alligevel meget hårdt på samme tid. Mest interessant, når jeg skærer den op, har den en meget fibrøs netværksstruktur."

Sammenligninger med andre svampe viste, at Tyromyces fissilis var særligt rigeligt af fibre. Fibrene behandles under høje temperaturer i et kammer indeholdende argongas ved hjælp af en procedure kaldet pyrolyse, giver rent kulstof i den oprindelige form af svampefibrene.

Fibrene har et uordnet arrangement og fletter sig sammen som spaghetti nudler.

"De danner et ledende sammenkoblet netværk, " sagde Pol.

Det sammenkoblede netværk giver hurtigere elektrontransport, hvilket kan resultere i hurtigere opladning af batterier.

Elektronmikroskopiundersøgelser blev udført på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.