Litiumjonbatterier är den viktigaste laddningsbara strömkällan för många bärbara enheter såväl som elfordon, men deras användning är begränsad, eftersom de inte ger hög effekt samtidigt som de tillåter reversibel energilagring. Forskning rapporterad i Tillämpad fysik recensioner syftar till att erbjuda en lösning genom att visa hur införandet av ledande fyllmedel förbättrar batteriets prestanda.

Den optimala batteridesignen involverar tjocka elektrodstrukturer. Detta ökar energitätheten, men designen lider av dålig litiumjontransport, ett nyckelsteg i funktionen hos dessa elektroder. Olika förbättringstekniker har prövats, inklusive att bygga vertikalt inriktade kanaler eller skapa porer av rätt storlek för att underlätta transporten av litiumjonerna.

Ett annat tillvägagångssätt innebär användning av fyllmedel gjorda av kol som leder elektricitet. Denna studie övervägde tre typer av fyllmedel:enkelväggiga kolnanorör (SWCNTs), grafen nanoark, och ett ämne som kallas Super P, en typ av kimrökpartiklar som produceras under oxidation av petroleumprekursorer. Super P är det vanligaste ledande fyllmedlet i litiumjonbatterier.

Fyllmedlen sattes till en typ av elektrodmaterial som kallas NCM som innehåller nickel, kobolt, och mangan. Utredarna undersökte de resulterande kompositerna med svepelektronmikroskopi. Super P- och NCM-partiklarna visade sig vara arrangerade i ett punkt-till-punkt-kontaktläge.

SWCNTs var, dock, lindade runt NCM-partiklarna, bildar en ledande beläggning. Dessutom, nätverk av sammankopplade SWCNTs observerades i utrymmena mellan NCM-partiklar. Nanoskivorna av grafen lindades också runt NCM-elektrodpartiklarna men inte lika enhetligt som SWCNTs var.

SWCNT visade sig vara det bästa ledande fyllmedlet för NCM-elektroder.

"Den uppmätta konduktiviteten överensstämmer med perkolationsteori ... När ett elektriskt ledande fyllmedel läggs till en isolerande matris, betydande ökningar i konduktiviteten kommer att inträffa när den första ledande vägen genom kompositen har bildats, sa Guihua Yu, en av författarna.

Eftersom perkolering kräver en fullständig väg genom fyllmedlet, en tillräcklig mängd ledande fyllmedel behövs. Därför, utredarna övervägde olika mängder fyllmedel och fann att kombination av NCM-elektroder med så lite som 0,16 viktprocent SWCNT gav god elektrisk ledningsförmåga. Högre mängder Super P och grafen krävdes för att uppnå samma resultat.

Utredarna använde flera spektroskopiska tekniker, inklusive Raman och röntgenabsorptionsspektroskopi, för att studera de resulterande kompositerna.

"Detta är ett samarbete från Center for Mesoscale Transport Properties, ett Energy Frontier Research Center som stöds av programmet U.S. Department of Energy Basic Energy Sciences. Våra resultat tyder på att integrationen av SWCNTs i NCM-elektroden underlättar jon- och laddningsöverföring. Detta kommer att leda till högre elektrokemisk användning, speciellt vid höga urladdningshastigheter, " sa Yu.