En ny högpresterande anodstruktur baserad på kisel-kol nanokompositmaterial kan avsevärt förbättra prestandan hos litiumjonbatterier som används i ett brett spektrum av applikationer från hybridfordon till bärbar elektronik.

Tillverkad med en "bottom-up" självmonteringsteknik, den nya strukturen drar fördel av nanoteknik för att finjustera sina materialegenskaper, ta itu med bristerna hos tidigare kiselbaserade batterianoder. Den enkla, Tillverkningstekniken till låg kostnad utformades för att lätt skalas upp och vara kompatibel med befintlig batteritillverkning.

Detaljer om den nya metoden för självmontering publicerades online i tidskriften Naturmaterial den 14 mars.

"Utvecklingen av en ny metod för att producera hierarkiska anod- eller katodpartiklar med kontrollerade egenskaper öppnar dörren till många nya riktningar för litiumjonbatteriteknologi, " sa Gleb Yushin, en biträdande professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Detta är ett viktigt steg mot kommersiell produktion av silikonbaserade anodmaterial för litiumjonbatterier."

De populära och lätta batterierna fungerar genom att överföra litiumjoner mellan två elektroder - en katod och en anod - genom en flytande elektrolyt. Ju mer effektivt litiumjonerna kan komma in i de två elektroderna under laddnings- och urladdningscykler, desto större blir batteriets kapacitet.

Befintliga litiumjonbatterier är beroende av anoder gjorda av grafit, en form av kol. Kiselbaserade anoder erbjuder teoretiskt så mycket som en tiofaldig kapacitetsförbättring jämfört med grafit, men kiselbaserade anoder har hittills inte varit tillräckligt stabila för praktisk användning.

Grafitanoder använder partiklar som sträcker sig i storlek från 15 till 20 mikron. Om kiselpartiklar av den storleken helt enkelt ersätts med grafiten, expansion och kontraktion när litiumjonerna kommer in och lämnar kislet skapar sprickor som snabbt gör att anoden misslyckas.

Det nya nanokompositmaterialet löser det nedbrytningsproblemet, potentiellt tillåta batteridesigners att utnyttja kapacitetsfördelarna med kisel. Det kan underlätta högre uteffekt från en given batteristorlek - eller tillåta ett mindre batteri att producera en nödvändig mängd ström.

"På nanoskala, vi kan justera materialegenskaper med mycket bättre precision än vi kan på traditionella storleksskalor, ", sa Yushin. "Detta är ett exempel på där tillverkningstekniker i nanoskala leder till bättre material."

Elektriska mätningar av de nya kompositanoderna i små myntceller visade att de hade en kapacitet mer än fem gånger större än den teoretiska kapaciteten för grafit.

Tillverkning av den sammansatta anoden börjar med bildandet av starkt ledande grenstrukturer - liknande grenarna på ett träd - gjorda av kimröksnanopartiklar glödgade i en högtemperaturrörsugn. Kiselnanosfärer med diametrar mindre än 30 nanometer bildas sedan i kolstrukturerna med hjälp av en kemisk ångavsättningsprocess. Silikon-kolkompositstrukturerna liknar "äpplen som hänger på ett träd".

Använder grafitkol som ett elektriskt ledande bindemedel, kisel-kol-kompositerna är sedan självmonterade till styva sfärer som har öppna, sammankopplade inre porkanaler. sfärerna, bildas i storlekar från 10 till 30 mikron, används för att bilda batterianoder. Den relativt stora kompositpulverstorleken - tusen gånger större än enskilda kiselnanopartiklar - möjliggör enkel pulverbearbetning för anodtillverkning.

De inre kanalerna i kisel-kolsfärerna tjänar två syften. De släpper in flytande elektrolyt för att tillåta snabbt inträde av litiumjoner för snabb batteriladdning, och de ger utrymme för att ta emot expansion och sammandragning av kislet utan att spricka anoden. De inre kanalerna och partiklarna i nanometerskala ger också korta litiumdiffusionsvägar in i anoden, förbättrar batteriets egenskaper.

Storleken på kiselpartiklarna styrs av varaktigheten av den kemiska ångavsättningsprocessen och trycket som appliceras på avsättningssystemet. Storleken på kolnanostrukturgrenarna och storleken på kiselkulorna bestämmer porstorleken i kompositen.

Produktionen av kisel-kol-kompositerna skulle kunna skalas upp som en kontinuerlig process som är mottaglig för ultrahögvolyms pulvertillverkning, sa Yushin. Eftersom de slutliga kompositsfärerna är relativt stora när de tillverkas till anoder, självmonteringstekniken undviker de potentiella hälsoriskerna med hantering av pulver i nanoskala, han lade till.

När den väl är tillverkad, nanokompositanoderna skulle användas i batterier precis som konventionella grafitstrukturer. Det skulle göra det möjligt för batteritillverkare att använda det nya anodmaterialet utan att göra dramatiska förändringar i produktionsprocesserna.

Än så länge, forskarna har testat den nya anoden genom mer än hundra laddnings-urladdningscykler. Yushin tror att materialet skulle förbli stabilt i tusentals cykler eftersom inga nedbrytningsmekanismer har blivit uppenbara.

"Om den här tekniken kan erbjuda en lägre kostnad på kapacitetsbasis, eller lägre vikt jämfört med nuvarande tekniker, detta kommer att bidra till att främja marknaden för litiumbatterier, " sa han. "Om vi ​​kan producera billigare batterier som håller länge, detta skulle också kunna underlätta antagandet av många "gröna" tekniker, till exempel elfordon eller solceller."