Jakten på ett bättre litiumjonbatteri – ett som kan hålla en mobiltelefon igång i dagar, öka räckvidden för elbilar och maximera energilagringen på ett nät – är en pågående strävan, men en nyligen genomförd studie gjord av Canadian Light Source (CLS) forskare med National Research Council of Canada (NRC) visade att svaret kan hittas inom kemi.

"Människor har försökt allt på ingenjörsnivå för att förbättra batterierna, " sa Dr Yaser Abu-Lebdeh, en senior forskningsofficer vid NRC, "men för att förbättra sin kapacitet, du måste leka med materialens kemi."

Litiumbatterier har elektroder som består av grafit och ett bindemedel som kallas polyvinylidendifluorid (PVDF), förklarade Abu-Lebdeh, som arbetade med NRC-kollegor och forskare vid CLS på studien. Kisel, dock, har 10 gånger mer litiumkapacitet än grafit så det har varit fokus på att skapa en kompositelektrod gjord av både kisel och grafit.

Detta verkar vara en gångbar väg för att öka energitätheten hos laddningsbara litiumjonbatterier, men kiselkompositbatterierna tappar kapacitet mycket snabbt under cykling; efter bara fem cykler, deras kapacitet var till och med lägre än grafitelektroder, även för små mängder kisel i kompositerna.

"Projektet skulle ha varit mycket utmanande att slutföra utan CLS:s förmåga att se kemin i gränssnittet på nanoskala, " säger CLS industriforskare Jigang Zhou, en batteriexpert i forskargruppen.

Teamet använde flera NRC- och CLS-anläggningar, inklusive elektrokemisk testning, svepelektronmikroskopi och röntgenspektroskopi, att utveckla en ny batterikarakteriserande metod som visar kemin vid batteriets yta. Tekniken skulle kunna användas för forskning i en mängd olika uppladdningsbara batterier, som Zhou är exalterad över.

"För mig, den sanna skönheten är att denna nya karakteristiska metod är en stråle till ny förståelse av så många batteriforskningsfrågor, säger Zhou.

Teamet använde sin teknik för att förstå varför även en liten mängd kisel, i kombination med grafit och bindemedlet, orsakade att batterierna försämrades. Problemet, de upptäckte, var nedbrytningen av PVDF-bindemedlet under battericykling, vilket inträffade med endast grafitelektroder trots god batteriprestanda.

Deras resultat, publicerad av American Chemical Society online i ett öppet dokument, tillhandahålla en guide till utformningen av lämpligare bindemedel för kompositgrafit/kiselelektroder, nya polymerer som inte visar någon negativ kemisk interaktion med någon av komponenterna, pekar på möjligheten att öka batterikapaciteten genom att ta med kisel.

Abu-Lebdeh förväntar sig att se utvecklingen av nya bindemedel som leder till en stegvis ökning av kiselhalten, till ett mål på cirka 20 procent. Resultatet, han sa, skulle vara batterier med högre energitäthet med tre gånger större kapacitet än de med endast grafitelektroder. Han tillade att samtidigt som tillsats av kisel ökar batterikapaciteten, det ökar inte kostnaderna om det är integrerat som ett icke-störande, drop-in teknologi i nuvarande tillverkningsprocesser.

Abu-Lebdeh krediterar Zhou och CLS-forskaren Jian Wang för att tillhandahålla "den grundläggande förståelsen som var avgörande för detta arbete. Det var verkligen samarbetsforskning, och de gav en avgörande pusselbit."

Abu-Lebdeh beskrev forskarnas resultat som en viktig faktor för litiumjonbatteriindustrin som arbetar mot kostnadseffektiva lösningar för nästa generations hemelektronik, elfordon och elnät.