Graphene-nanorør hybrid øger lithium metalbatterier

Forskere fra Rice University har skabt et genopladeligt litiummetalbatteri med tre gange kapaciteten af ​​kommercielle lithium-ion-batterier ved at løse noget, der længe har stubbet forskere:dendritproblemet.

Risbatteriet opbevarer lithium i en unik anode, en problemfri hybrid af grafen og carbon nanorør. Materialet, der først blev skabt på Rice i 2012, er i det væsentlige en tredimensionel kulstofoverflade, der giver rigeligt område for lithium at bebo.

Anoden selv nærmer sig det teoretiske maksimum for opbevaring af lithiummetal og modstår dannelsen af ​​skadelige dendritter eller "mosede" aflejringer.

Dendritter har forsvundne forsøg på at udskifte lithium-ion med avancerede lithium-metalbatterier, der holder længere og oplades hurtigere. Dendrit er lithiumaflejringer, der vokser ind i batteriets elektrolyt. Hvis de bygger anode og katode og skaber en kortslutning, batteriet kan gå i stykker, tage ild eller endda eksplodere.

Risforskere ledet af kemikeren James Tour fandt ud af, at når de nye batterier oplades, lithiummetal dækker jævnt den meget ledende carbonhybrid, hvor nanorør er kovalent bundet til grafenoverfladen.

Som rapporteret i American Chemical Society journal ACS Nano , hybrid erstatter grafitanoder i almindelige lithium-ion-batterier, der handler med kapacitet for sikkerhed.

"Lithium-ion-batterier har ændret verden, ingen tvivl, "Tour sagde, "men de er omtrent lige så gode, som de kommer til at blive. Din mobiltelefons batteri holder ikke længere, før der kommer ny teknologi."

Han sagde den nye anodes nanorørskov, med sin lave densitet og høje overfladeareal, har masser af plads til, at litiumpartikler kan glide ind og ud, når batteriet oplades og aflades. Litium er jævnt fordelt, spredning af den strøm, der bæres af ioner i elektrolytten og undertrykker væksten af ​​dendritter.

Selvom prototype batteriets kapacitet er begrænset af katoden, anodematerialet opnår en lithium lagerkapacitet på 3, 351 milliampere pr. Gram, tæt på det teoretiske maksimum og 10 gange det for lithium-ion-batterier, Tour sagde. På grund af den lave tæthed af nanorørstæppet, litiums evne til at belægge sig helt ned til underlaget sikrer maksimal udnyttelse af det tilgængelige volumen, han sagde.

Forskerne havde deres "Aha!" øjeblik i 2014, da medlederforfatter Abdul-Rahman Raji, en tidligere kandidatstuderende i Tour's lab og nu en postdoktorforsker ved University of Cambridge, begyndte at eksperimentere med lithiummetal og grafen-nanorørhybriden.

"Jeg begrundede, at lithiummetal skal have belagt elektroden, mens jeg analyserede resultaterne af eksperimenter, der blev udført for at lagre lithiumioner i anodematerialet kombineret med en lithiumkoboltoxidkatode i en fuld celle, "Raji sagde." Vi var begejstrede, fordi spændingsprofilen for hele cellen var meget flad. På dette tidspunkt, vi vidste, at vi havde fundet noget særligt. "

Indenfor en uge, Raji og medlederforfatter Rodrigo Villegas Salvatierra, en ris -postdoktor, aflejrede lithiummetal i en selvstændig hybridanode, så de kunne se nærmere på med et mikroskop. "Vi var forbløffede over at finde ingen dendritter dyrket, og resten er historie, "Sagde Raji.

For at teste anoden, Rice-laboratoriet byggede fulde batterier med svovlbaserede katoder, der beholdt 80 procent kapacitet efter mere end 500 ladningsafladningscyklusser, cirka to års brug for en normal mobiltelefonbruger, Tour sagde. Elektronmikroskopbilleder af anoderne efter test viste ingen tegn på dendritter eller de moslignende strukturer, der er blevet observeret på flade anoder. For det blotte øje, anoder inden for kvartstore batterier var mørke, når de var tomme for lithiummetal og sølv, når de var fulde, rapporterede forskerne.

"Mange mennesker, der laver batteriundersøgelser, laver kun anoden, fordi det er meget sværere at gøre hele pakken, "Tour sagde." Vi var nødt til at udvikle en passende katodeteknologi baseret på svovl for at rumme disse lithiumanoder med ultrahøj kapacitet i første generations systemer. Vi producerer disse fulde batterier, katode plus anode, på en pilotskala, og de bliver testet. "