Det är möjligt att skapa ett litiumjonbatteri som kan laddas på några minuter men som fortfarande fungerar med hög kapacitet, enligt forskning från Rensselaer Polytechnic Institute just publicerad i Naturkommunikation . Denna utveckling har potential att förbättra batteriprestanda för hemelektronik, lagring av solceller, och elfordon.

Ett litiumjonbatteri laddas och laddas ur när litiumjoner rör sig mellan två elektroder, kallas en anod och en katod. I ett traditionellt litiumjonbatteri, anoden är gjord av grafit, medan katoden är sammansatt av litiumkoboltoxid.

Dessa material fungerar bra tillsammans, vilket är anledningen till att litiumjonbatterier har blivit allt populärare, men forskare vid Rensselaer tror att funktionen kan förbättras ytterligare.

"Sättet att göra batterier bättre är att förbättra materialen som används för elektroderna, sa Nikhil Koratkar, professor i mekanisk, flyg, och kärnteknik vid Rensselaer, och motsvarande författare till tidningen. "Vad vi försöker göra är att göra litiumjonteknik ännu bättre i prestanda."

Koratkars omfattande forskning om nanoteknik och energilagring har placerat honom bland de mest citerade forskarna i världen. I detta senaste arbete, Koratkar och hans team förbättrade prestandan genom att ersätta koboltoxid med vanadindisulfid (VS ₂ ).

"Det ger dig högre energitäthet, för det är ljust. Och det ger dig snabbare laddningskapacitet, eftersom det är mycket ledande. Ur dessa synpunkter, vi attraherades av detta material, sa Koratkar, som också är professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik.

Spänningen kring potentialen hos VS ₂ har vuxit de senaste åren, men tills nu, Koratkar sa, forskare hade utmanats av dess instabilitet - en egenskap som skulle leda till kort batteritid. Rensselaer-forskarna fastställde inte bara varför den instabiliteten inträffade, men också utvecklat ett sätt att bekämpa det.

Laget, som även inkluderade Vincent Meunier, föreståndare för institutionen för fysik, Tillämpad fysik, och astronomi, och andra, fastställt att litiuminförande orsakade en asymmetri i avståndet mellan vanadinatomer, känd som Peierls distorsion, som var ansvarig för upplösningen av VS ₂ flingor. De upptäckte att täcka flingorna med en nanoskiktad beläggning av titandisulfid (TiS ₂ )—ett material som inte Peierls förvränger—skulle stabilisera VS ₂ flingor och förbättra deras prestanda inom batteriet.

"Det här var nytt. Folk hade inte insett att detta var den underliggande orsaken, " sa Koratkar. "TiS ₂ beläggning fungerar som ett buffertskikt. Den håller VS ₂ material tillsammans, tillhandahåller mekaniskt stöd."

När det problemet väl var löst, laget fann att VS ₂ -TiS ₂ elektroder kan arbeta med en hög specifik kapacitet, eller lagra mycket laddning per massaenhet. Koratkar sa att vanadin och svavels ringa storlek och vikt tillåter dem att leverera en hög kapacitet och energitäthet. Deras ringa storlek skulle också bidra till ett kompakt batteri.

När laddningen gjordes snabbare, Koratkar sa, Kapaciteten sjönk inte så mycket som den ofta gör med andra elektroder. Elektroderna kunde bibehålla en rimlig kapacitet eftersom, till skillnad från koboltoxid, VS ₂ -TiS ₂ materialet är elektriskt ledande.

Koratkar ser flera tillämpningar för denna upptäckt för att förbättra bilbatterier, ström för bärbar elektronik, och solenergilagring där hög kapacitet är viktigt, men ökad laddningshastighet skulle också vara attraktivt.