Elfordon blir allt populärare, men deras långa laddningstid är en betydande nedbrytning för potentiella kunder. Medan en typisk SUV med förbränningsmotor skulle kunna resa 300 miles med en fem minuters tankning, ett toppmodernt elfordon tar ungefär en timme att lagra tillräckligt med energi för att resa samma sträcka. Tekniken för ett litiumjonbatteri med hög kapacitet som laddas snabbt och fungerar effektivt är fortfarande ett orealiserat mål-men forskare är nu närmare än någonsin.

Ett internationellt team av forskare publicerade detaljer om ett konstruerat elektrodmaterial som tillåter sådana avancerade batterier den 8 oktober i Vetenskap.

"Kombinationen av hög energi, hög hastighet, och lång livslängd är batteriforskningens heliga graal, som bestäms av en av batteriets nyckelkomponenter:elektrodmaterialen, "sa Hengxing Ji, professor vid University of Science and Technology of China (USTC). "Vi siktar på att leta efter ett elektrodmaterial som kan göra ett inhugg i prestandamått från laboratorieforskning och som kan hålla löftet att stå med industriella produktionstekniker och krav."

Energi kommer in och lämnar batteriet genom elektrokemiska reaktioner i elektroder, så effektiv och effektiv litiumjonöverföring är av yttersta vikt, enligt första författaren Hongchang Jin från USTC, speciellt när det gäller att överföra energin från batteriet till enheten via anoden.

Forskarna vände sig till svart fosfor, ett material som har övervägts för användning i elektroder tidigare men som vanligtvis överges på grund av dess tendens att deformeras längs dess skiktade kanter, göra överföringen av litiumjoner djupt ineffektiva och göra material av lägre kvalitet. Genom att kombinera svart fosfor med grafit, de kemiska bindningarna mellan dessa två material stabiliserar och förhindrar de problematiska kantförändringarna.

Teamet tog också itu med ett annat problem som hindrade materialet:Elektrolyter kan bryta ner i mindre ledande bitar och byggas upp på ytan av elektroden, hämmar litiumjonöverföring till elektrodmaterialet, som damm som skymmer ljuset genom glaset. Teamet applicerade en tunn polymergelbeläggning på elektrodmaterialen och förstärkte litiumjontransportbanan, effektivt förhindra problemet.

"Kompositanodmaterialet återställde 80 % av sin fulla kapacitet på mindre än 10 minuter och visar en livslängd på 2000 cykler vid rumstemperatur, som mättes vid förhållanden som är kompatibla med de industriella tillverkningsprocesserna, " sa medförfattaren Sen Xin, professor vid Institute of Chemistry Chinese Academy of Sciences. "Om skalbar produktion kan uppnås, detta material kan vara ett alternativ, uppdaterad grafitanod, och flytta oss mot ett litiumjonbatteri med energitäthet på mer än 350 watt-timmar per kilogram och snabbladdningskapacitet. Framgångsrik projicering av ovanstående parametrar på elfordonet kommer avsevärt att höja dess konkurrenskraft gentemot bränslebilarna."

De 350 watt-timmar per kilogram beskriver energikapaciteten hos batteriet – ett elfordon med ett sådant batteri skulle kunna resa 600 miles på en enda laddning. För jämförelse, Tesla Model S på marknaden kan resa 400 mil på en laddning.

Med denna nya teknik, Ji sa att forskarna planerar att driva både grundläggande vetenskapliga frågor om litiumjonladdnings- och urladdningsprocessen och industrirelaterade frågor om sätt att skala kompositmaterialproduktion under mildare förhållanden.

"Vi kommer att undersöka tekniska material med rationellt utvald struktur, men med hänsyn till pris och praktiska egenskaper för att uppnå en attraktiv prestanda, " sa Ji.