Små nanoklynger kan løse store problemer for lithium-ion-batterier

Efterhånden som enheder bliver mindre og mere kraftfulde, de kræver hurtigere, mindre, mere stabile batterier. Kemikere fra University of Illinois har udviklet et superionisk fast stof, der kunne være grundlaget for næste generation af lithium-ion-batterier.

Kemiprofessor Prashant Jain og kandidatstuderende Sarah White og Progna Banerjee beskrev materialet - ultrasmå nanoklynger af kobberselenid - i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Nu hvor vi ser dette nanoelektroniske boom, vi har brug for små batterier, der kan sættes på en chip, og det kan ikke ske med flydende elektrolytter, " Jain sagde. "Vi bruger nanostrukturerede materialer til at opnå egenskaberne i hjertet af lithium-ion teknologi. De har meget mere termisk og mekanisk stabilitet, der er ingen lækageproblemer, og vi kan lave ekstremt tynde elektrolytlag, så vi kan miniaturisere batterier. "

Standard lithium-ion og andre ioniske batterier er fyldt med en flydende elektrolyt, som lithium-ionerne bevæger sig igennem. Ionerne strømmer én retning, når batteriet bruges, og den modsatte retning, når batteriet er opladet. Imidlertid, flydende elektrolytter har flere ulemper:De kræver volumen, nedbrydes efterhånden som batteriet cykler, lækker og er meget brandfarlige, hvilket har ført til eksplosioner i telefoner, bærbare computere og andre enheder. Selvom faste elektrolytter er betydeligt mere stabile, ioner bevæger sig meget langsommere igennem dem, hvilket gør dem mindre effektive til batteriapplikationer.

Kobberselenid -nanoklusterelektrolytten kombinerer det bedste fra både flydende og faste elektrolytter:Det har stabiliteten som et fast stof, men ioner bevæger sig let igennem det som en væske. Kobberselenid er kendt for at være superionisk ved høje temperaturer, men de små nanoklynger er den første demonstration af, at materialet er superionisk ved stuetemperatur.

Forskerne opdagede denne superioniske egenskab ved et uheld, mens de undersøgte kobberselenids overfladereaktivitet. De bemærkede, at ultrasmå nanoklynger - omkring 2 nanometer i diameter - så meget anderledes ud end større kobberselenid-nanopartikler i et elektronmikroskop.

"Det var vores første hint om, at de har forskellige strukturer, " sagde Jain. "Vi undersøgte nærmere, og vi indså, at disse små klynger faktisk er halvflydende ved stuetemperatur."

Årsagen til den halvflydende, superionisk ejendom er nanoklusters særlige struktur, sagde Jain. De meget større selenioner danner et krystalgitter, mens de mindre kobberioner bevæger sig rundt om dem som en væske. Denne krystalstruktur er et resultat af intern belastning i klyngerne.

"Med omkring 100 atomer, disse nanoklynger er lige ved grænsefladen mellem molekyler og nanopartikler, " sagde Jain. "Lige nu, det store skub er at gøre hver nanopartikel i en prøve nøjagtig samme størrelse og form. Det viser sig med disse klynger, hver enkelt klynge er nøjagtig den samme struktur. På en eller anden måde, i denne størrelse, materialets elektroniske struktur er så stabil, at hver enkelt klynge har det samme arrangement af atomer. "

Forskerne arbejder på at inkorporere nanoclusterne i et batteri, måle litiumioners ledningsevne og sammenligne ydelsen med eksisterende faststofelektrolytter og flydende elektrolytter.