Konventionella litiumjonbatterier, som de som ofta används i smartphones och bärbara datorer, har nått prestationsgränserna. Materialkemist Freddy Kleitz från kemifakulteten vid Wiens universitet och internationella forskare har utvecklat ett nytt nanostrukturerat anodmaterial för litiumjonbatterier, vilket förlänger batteriernas kapacitet och livslängd. Baserat på en mesoporös blandad metalloxid i kombination med grafen, materialet kan ge ett nytt tillvägagångssätt för att bättre använda batterier i stora enheter som elektriska eller hybridfordon. Studien har nu publicerats som omslagsartikel till det aktuella numret av Avancerade energimaterial .

Hög energitäthet, förlängd cykellivslängd och ingen minnseffekt:Litiumjonbatterier är de mest utbredda energilagringsenheterna för mobila enheter såväl som bärare av hopp om elektromobilitet. Forskare letar efter nya typer av aktivt elektrodmaterial för att driva batterierna till nästa nivå av hög prestanda och hållbarhet, och för att göra dem bättre användbara för stora enheter. "Nanostrukturerade litiumjonbatterimaterial kan ge en bra lösning, "säger Freddy Kleitz från institutionen för oorganisk kemi - funktionella material vid universitetet i Wien, som tillsammans med Claudio Gerbaldi, ledare för gruppen för tillämpade material och elektrokemi vid Politecnico di Torino, Italien, är studiens huvudförfattare.

2-D/3-D-nanokompositen baserad på en blandad metalloxid och grafen, utvecklat av de två forskarna och deras team, kraftigt förbättrar litiumjonbatteriernas elektrokemiska prestanda. "I våra testkörningar, det nya elektrodmaterialet gav signifikant förbättrad specifik kapacitet med en aldrig tidigare skådad reversibel cykelstabilitet över 3, 000 reversibla laddnings- och urladdningscykler även vid mycket höga strömregimer upp till 1, 280 milliampere, "säger avdelningschef Freddy Kleitz. Dagens litiumjonbatterier tappar sin prestanda efter cirka 1, 000 laddningscykler.

Nytt recept

Konventionella anoder förekommer ofta av kolmaterial såsom grafit. "Metaloxider har bättre batterikapacitet än grafit, men de är ganska instabila och mindre ledande, "förklarar Kleitz. Forskarna hittade ett sätt att bäst utnyttja de positiva egenskaperna hos båda föreningarna. De utvecklade en ny familj av elektrodaktiva material, baserad på en blandad metalloxid och den högledande och stabiliserande grafen, visar överlägsna egenskaper jämfört med de hos de flesta övergångsmetalloxid -nanostrukturer och kompositer.

Som ett första steg, baserat på ett nydesignat tillagningsförfarande, forskarna kunde blanda koppar och nickel homogent och under kontrollerat sätt för att uppnå den blandade metallen. Baserat på nanocasting – en metod för att producera mesoporösa material – skapade de strukturerade nanoporösa blandade metalloxidpartiklar, som på grund av sitt omfattande nätverk av porer har en mycket hög aktiv reaktionsyta för utbyte med litiumjon från batteriets elektrolyt. Forskarna applicerade sedan ett spraytorkningsförfarande för att linda de blandade metalloxidpartiklarna tätt med tunna grafenlager.

Enkel och effektiv design

Användningen av litiumjonbatterier för e-mobilitet anses vara problematisk ur miljösynpunkt, t.ex. på grund av deras råvaruintensiva produktion. Små batterier som kan lagra så mycket energi som möjligt, håller så länge som möjligt och är inte alltför kostnadskrävande att tillverka kan främja deras användning i storskaliga enheter. "Jämfört med befintliga tillvägagångssätt, vår innovativa teknikstrategi för det nya högpresterande och hållbara anodmaterialet är enkelt och effektivt. Det är en vattenbaserad process och därför miljövänlig och redo att tillämpas på industriell nivå, "konstaterar studieförfattarna.