Ett team av materialforskare från Juelich, München, och Prag har lyckats producera ett kompositmaterial som är särskilt lämpligt för elektroder i litiumbatterier. Nanokompositmaterialet kan bidra till att avsevärt öka batteriets lagringskapacitet och livslängd samt laddningshastigheten. Forskarna har publicerat sina fynd i tidskriften Avancerade funktionella material .

Litiumjonbatterier är det ultimata riktmärket när det gäller mobiltelefoner, surfplattor, och elbilar. Deras lagringskapacitet och effekttäthet är mycket bättre än andra laddningsbara batterisystem. Trots de senaste framstegen, dock, smarttelefonbatterier håller bara en dag och elbilar behöver timmar för att laddas. Forskare arbetar därför med sätt att förbättra effekttätheten och laddningshastigheten för allroundbatterier. "En viktig faktor är anodmaterialet, "förklarar Dina Fattakhova-Rohlfing från Institute of Energy and Climate Research (IEK-1).

"I princip, anoder baserade på tennioxid kan uppnå mycket högre specifika kapaciteter, och därför lagra mer energi, än de kolanoder som för närvarande används. De har förmågan att absorbera fler litiumjoner, "säger Fattakhova-Rohlfing." Ren tennoxid, dock, uppvisar mycket svag cykelstabilitet - batteriernas lagringsförmåga minskar stadigt och de kan bara laddas några gånger. Anodens volym ändras för varje laddnings- och urladdningscykel, vilket leder till att det faller sönder. "

Ett sätt att lösa detta problem är hybridmaterial eller nanokompositer - sammansatta material som innehåller nanopartiklar. Forskarna utvecklade ett material bestående av tennoxid -nanopartiklar berikade med antimon, på ett baslager av grafen. Grafenbasen underlättar materialets strukturella stabilitet och konduktivitet. Tennoxidpartiklarna är mindre än tre nanometer stora - med andra ord mindre än tre miljoner miljondelar - och "odlas" direkt på grafen. Partikelns lilla storlek och dess goda kontakt med grafenskiktet förbättrar också dess tolerans mot volymförändringar - litiumcellen blir mer stabil och håller längre.

Tre gånger mer energi på en timme

"Berikning av nanopartiklarna med antimon säkerställer att materialet är extremt ledande, "förklarar Fattakhova-Rohlfing." Detta gör anoden mycket snabbare, vilket betyder att den kan lagra en och en halv gånger mer energi på bara en minut än vad som skulle vara möjligt med konventionella grafitanoder. Det kan till och med lagra tre gånger mer energi under den vanliga laddningstiden på en timme. "

"Sådana höga energitätheter uppnåddes bara tidigare med låga laddningshastigheter, "säger Fattakhova-Rohlfing." Snabbare laddningscykler ledde alltid till en snabb kapacitetsminskning. "De antimon-dopade anoderna som utvecklats av forskarna, dock, behålla 77 % av sin ursprungliga kapacitet även efter 1, 000 cykler.

"Nanokompositanoderna kan produceras på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt. Och de tillämpade koncepten kan också användas för design av andra anodmaterial för litiumjonbatterier, "förklarar Fattakhova-Rohlfing." Vi hoppas att vår utveckling kommer att bana väg för litiumjonbatterier med en betydligt ökad energitäthet och mycket kort laddningstid. "