En forskargrupp från Northwestern University har hittat sätt att stabilisera ett nytt batteri med rekordhög laddningskapacitet. Baserat på en litium-manganoxid-katod, genombrottet skulle kunna göra det möjligt för smarta telefoner och batteridrivna bilar att hålla mer än dubbelt så länge mellan laddningarna.

"Denna batterielektrod har realiserat en av de högsta rapporterade kapaciteterna någonsin för alla övergångsmetalloxidbaserade elektroder. Det är mer än dubbelt så mycket kapacitet som material för närvarande i din mobiltelefon eller bärbara dator, sa Christopher Wolverton, Jerome B. Cohen professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering, som ledde studien. "Den här typen av hög kapacitet skulle representera ett stort framsteg mot målet med litiumjonbatterier för elfordon."

Studien publicerades online den 14 maj Vetenskapens framsteg .

Litiumjonbatterier fungerar genom att skjuta litiumjoner fram och tillbaka mellan anoden och katoden. Katoden är gjord av en förening som består av litiumjoner, en övergångsmetall och syre. Övergångsmetallen, typiskt kobolt, lagrar och frigör effektivt elektrisk energi när litiumjoner rör sig från anoden till katoden och tillbaka. Katodens kapacitet begränsas då av antalet elektroner i övergångsmetallen som kan delta i reaktionen.

Ett franskt forskarlag rapporterade första gången den stora kapaciteten litium-mangan-oxid-föreningen 2016. Genom att ersätta den traditionella kobolten med billigare mangan, teamet utvecklade en billigare elektrod med mer än dubbelt så stor kapacitet. Men det var inte utan sina utmaningar. Batteriets prestanda försämrades så avsevärt under de första två cyklerna att forskarna inte ansåg att det var kommersiellt gångbart. De förstod inte heller helt det kemiska ursprunget till den stora kapaciteten eller nedbrytningen.

Efter att ha komponerat en detaljerad, atom-för-atom bild av katoden, Wolvertons team upptäckte orsaken bakom materialets höga kapacitet:Det tvingar syre att delta i reaktionsprocessen. Genom att använda syre – förutom övergångsmetallen – för att lagra och frigöra elektrisk energi, batteriet har högre kapacitet att lagra och använda mer litium.

Nästa, Northwestern-teamet fokuserade på att stabilisera batteriet för att förhindra dess snabba nedbrytning.

"Beväpnad med kunskapen om laddningsprocessen, vi använde högkapacitetsberäkningar för att skanna igenom det periodiska systemet för att hitta nya sätt att legera denna förening med andra element som kan förbättra batteriets prestanda, sade Zhenpeng Yao, co-första författare av uppsatsen och en före detta Ph.D. student i Wolvertons laboratorium.

Beräkningarna pekade ut två element:krom och vanadin. Teamet förutspår att en blandning av båda element med litium-mangan-oxid kommer att producera stabila föreningar som bibehåller katodens oöverträffade höga kapacitet. Nästa, Wolverton och hans medarbetare kommer att experimentellt testa dessa teoretiska föreningar i laboratoriet.