211service.com
Nanobuisjes geven batterijen een schok
Een lithium-ionbatterij met een positieve elektrode van koolstofnanobuisjes levert 10 keer meer vermogen dan een conventionele batterij en kan vijf keer meer energie opslaan dan een conventionele ultracondensator. De nanobuis-batterijtechnologie, ontwikkeld door onderzoekers van MIT en in licentie gegeven aan een niet nader genoemd batterijbedrijf, zou kunnen leiden tot batterijen die zware hybride voertuigen verbeteren en sneller opladen mogelijk maken voor elektronische gadgets, waaronder smartphones.
Nano-kracht: De poriën tussen de nanobuisjes in dit transmissie-elektronenmicroscopiebeeld kunnen lithiumionen opslaan in een krachtige batterij.
Onderzoekers hebben geprobeerd elektroden voor lithium-ionbatterijen te maken van koolstofnanobuisjes omdat hun grote oppervlakte en hoge geleidbaarheid beloven zowel de energie- als de vermogensdichtheid te verbeteren ten opzichte van conventionele vormen van koolstof. Maar het werken met het materiaal is een uitdaging gebleken - de meeste methoden voor het assembleren van koolstofnanobuisjes vereisen een bindmiddel dat de geleidbaarheid van de elektrode vermindert en leidt tot de vorming van klonten van het materiaal, waardoor het oppervlak kleiner wordt. De elektroden die door de MIT-groep zijn gemaakt, hebben echter een zeer groot oppervlak voor opslag en reactie met lithium. Dit grote oppervlak is van cruciaal belang voor zowel de hoge opslagcapaciteit van de elektroden als hun hoge vermogen: omdat lithium op het oppervlak wordt opgeslagen, kan het snel in en uit de elektrode bewegen, waardoor de batterij sneller kan worden opgeladen en ontladen .
De sleutel tot de prestaties van de MIT-elektroden is een assemblageproces dat dichte, onderling verbonden, maar toch poreuze koolstof-nanobuisfilms creëert, zonder dat er vulstoffen nodig zijn. De groep, geleid door professor in de chemische technologie Paula Hammond en professor werktuigbouwkunde Yang Shao-Hoorn , maak wateroplossingen van koolstofnanobuisjes die zo zijn behandeld dat de ene groep positief geladen is en de andere negatief. Vervolgens dopen ze afwisselend een substraat, zoals een objectglaasje, in de twee oplossingen, en de nanobuisjes, aangetrokken door verschillen in hun lading, hechten zeer sterk aan elkaar in uniforme, dunne lagen. De onderzoekers hadden eerder aangetoond dat deze dichte maar poreuze films, wanneer ze worden verwarmd en verwijderd van het substraat, veel lading kunnen opslaan en snel kunnen afgeven - als een elektrode in een ultracondensator.
Nu heeft de MIT-groep deze methoden aangepast om batterij-elektroden te maken. Lithium-ionbatterijen worden opgeladen en ontladen wanneer lithiumionen van de ene elektrode naar de andere gaan, aangedreven of aangedreven door een externe stroom. Hoe meer totaal lithium de batterij kan opslaan, hoe groter de totale energieopslagcapaciteit. Hoe sneller de ionen van de ene elektrode naar de andere kunnen bewegen, hoe groter de kracht ervan. In werk dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie , toonde de MIT-groep aan dat lithiumionen in een batterij-elektrolyt reageren met zuurstofbevattende chemische groepen op het oppervlak van de koolstofnanobuisjes in de film. Vanwege het enorme oppervlak en de poreuze structuur van de nanobuis-elektroden, zijn er veel plaatsen waar de ionen kunnen reageren, en ze kunnen snel in en uit reizen, wat de nanobuis-batterij een hoge energiecapaciteit en kracht geeft, zegt Shao-Horn.
Dit werk heeft eens te meer aangetoond dat de ontwikkeling van methoden voor zorgvuldige structurele controle op nanoschaal leidt tot grote verbeteringen in de prestaties van materialen, zegt Nicholas Kotov , hoogleraar chemische technologie aan de Universiteit van Michigan. Ik geloof dat dit nog maar het begin is van de grote verbetering van lithiumbatterijen met behulp van een materiaaltechnische benadering.
De volgende stap, zegt Hammond, is om de zaken te versnellen. Met de dompelmethode kan de groep relatief dikke nanobuisfilms maken, maar dat duurt een week. Als je een auto-accu wilt maken, moet je hem dikker maken, en over grote oppervlakken, zegt Hammond. In plaats van een substraat in de twee nanobuisoplossingen te dompelen, maakt Hammonds groep de elektroden nu in een paar uur door afwisselend verdunde nevels van de twee nanobuisoplossingen te spuiten. Een groot voordeel van deze vernevelingsmethode is dat deze compatibel is met printprocessen voor grote oppervlakken die snelheid en compatibiliteit met een breed scala aan substraten beloven. Nanobuisbatterijen kunnen bijvoorbeeld rechtstreeks op geïntegreerde schakelingen worden afgedrukt.