Forskare runt om i världen har varit på jakt efter batterier som ger kraft men är mindre och lättare än dagens versioner, potentiellt gör det möjligt för elbilar att resa längre eller bärbar elektronik att köra längre utan att laddas. Nu, forskare vid MIT och i Kina säger att de har gjort stora framsteg på detta område, med en ny version av en nyckelkomponent för litiumbatterier, katoden.

Teamet beskriver sitt koncept som en "hybrid" katod, eftersom det kombinerar aspekter av två olika tillvägagångssätt som har använts tidigare, en för att öka energiuttaget per pund (gravimetrisk energitäthet), den andra för energin per liter (volymetrisk energitäthet). Den synergistiska kombinationen, de säger, producerar en version som ger fördelarna med båda, och mer.

Arbetet beskrivs idag i tidskriften Naturenergi , i en tidning av Ju Li, en MIT-professor i kärnkraftsvetenskap och ingenjörsvetenskap och i materialvetenskap och teknik; Weijiang Xue, en MIT postdoc; och 13 andra.

Dagens litiumjonbatterier tenderar att använda katoder (en av de två elektroderna i ett batteri) gjorda av en övergångsmetalloxid, men batterier med katoder gjorda av svavel anses vara ett lovande alternativ för att minska vikten. I dag, konstruktörerna av litium-svavelbatterier står inför en avvägning.

Katoderna för sådana batterier tillverkas vanligtvis på ett av två sätt, känd som interkaleringstyper eller konverteringstyper. Interkalationstyper, som använder föreningar som litiumkoboltoxid, ger en hög volymetrisk energitäthet – packar mycket stämpel per volym på grund av deras höga densiteter. Dessa katoder kan bibehålla sin struktur och dimensioner samtidigt som de införlivar litiumatomer i sin kristallina struktur.

Den andra katodmetoden, kallas konverteringstypen, använder svavel som omvandlas strukturellt och till och med tillfälligt löses upp i elektrolyten. "Teoretiskt sett, dessa [batterier] har mycket god gravimetrisk energitäthet, " säger Li. "Men den volymetriska densiteten är låg, "delvis för att de tenderar att kräva mycket extra material, inklusive ett överskott av elektrolyt och kol, används för att ge konduktivitet.

I deras nya hybridsystem, forskarna har lyckats kombinera de två tillvägagångssätten till en ny katod som innehåller både en typ av molybdensulfid som kallas Chevrel-fas, och rent svavel, som tillsammans verkar ge de bästa aspekterna av båda. De använde partiklar av de två materialen och komprimerade dem för att göra den fasta katoden. "Det är som primern och TNT i en explosiv, en snabbverkande, och en med högre energi per vikt, " säger Li.

Bland andra fördelar, den elektriska ledningsförmågan hos det kombinerade materialet är relativt hög, vilket minskar behovet av kol och minskar den totala volymen, säger Li. Typiska svavelkatoder består av 20 till 30 procent kol, han säger, men den nya versionen behöver bara 10 procent kol.

Nettoeffekten av att använda det nya materialet är betydande. Dagens kommersiella litiumjonbatterier kan ha energitätheter på cirka 250 wattimmar per kilogram och 700 wattimmar per liter, medan litium-svavelbatterier toppar med cirka 400 wattimmar per kilogram men bara 400 wattimmar per liter. Den nya versionen, i sin ursprungliga version som ännu inte har gått igenom en optimeringsprocess, kan redan nå mer än 360 wattimmar per kilogram och 581 wattimmar per liter, säger Li. Den kan slå både litiumjon- och litium-svavelbatterier när det gäller kombinationen av dessa energitätheter.

Med fortsatt arbete, han säger, "Vi tror att vi kan nå 400 wattimmar per kilogram och 700 wattimmar per liter, " med den senare siffran lika med litiumjonens. Redan, teamet har gått ett steg längre än många laboratorieexperiment som syftar till att utveckla en storskalig batteriprototyp:Istället för att testa små myntceller med en kapacitet på bara flera milliampertimmar, de har producerat en påscell med tre lager (en standardsubenhet i batterier för produkter som elfordon) med en kapacitet på mer än 1, 000 milliampertimmar. Detta är jämförbart med vissa kommersiella batterier, indikerar att den nya enheten matchar dess förutspådda egenskaper.

Än så länge, den nya cellen kan inte riktigt leva upp till livslängden för litiumjonbatterier när det gäller antalet laddnings-urladdningscykler som den kan gå igenom innan den tappar för mycket kraft för att vara användbar. Men den begränsningen är "inte katodens problem"; det har att göra med den övergripande celldesignen, och "vi jobbar på det, " säger Li. Även i sin nuvarande tidiga form, han säger, "det här kan vara användbart för vissa nischapplikationer, som en drönare med lång räckvidd, " där både vikt och volym betyder mer än livslängd.

"Jag tror att det här är en ny arena för forskning, " säger Li.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.