Batterier kan få en ökning av kraftkapaciteten som ett resultat av ett nytt fynd från forskare vid MIT. De fann att användning av kolnanorör för en av batteriets elektroder gav en betydande ökning - upp till tiofaldigt - i mängden effekt som den kunde leverera från en given vikt av material, jämfört med ett konventionellt litiumjonbatteri. Sådana elektroder kan hitta tillämpningar i små bärbara enheter, och med ytterligare forskning kan det också leda till förbättrade batterier för större, mer kraftkrävande applikationer.
För att producera det kraftfulla nya elektrodmaterialet, teamet använde en lager-för-lager-tillverkningsmetod, där ett basmaterial omväxlande doppas i lösningar som innehåller kolnanorör som har behandlats med enkla organiska föreningar som ger dem antingen en positiv eller negativ nettoladdning. När dessa lager alterneras på en yta, de binder tätt ihop på grund av de kompletterande laddningarna, gör en stabil och hållbar film.
Resultaten, av ett team ledd av docent i maskinteknik och materialvetenskap och teknik Yang Shao-Horn, i samarbete med Bayer ordförande professor i kemiteknik Paula Hammond, rapporteras i en artikel som publicerades den 20 juni i tidskriften Naturens nanoteknik . Huvudförfattarna är kemiingenjörsstudenten Seung Woo Lee PhD '10 och postdoktorn Naoaki Yabuuchi.
Batterier, såsom litiumjonbatterier som ofta används i bärbar elektronik, består av tre grundläggande komponenter:två elektroder (kallas anoden, eller negativ elektrod, och katoden, eller positiv elektrod) separerade med en elektrolyt, ett elektriskt ledande material genom vilket laddade partiklar, eller joner, kan röra sig lätt. När dessa batterier används, positivt laddade litiumjoner rör sig över elektrolyten till katoden, producerar en elektrisk ström; när de laddas, en extern ström får dessa joner att röra sig åt motsatt håll, så att de blir inbäddade i utrymmena i anodens porösa material.
I den nya batterielektroden, kolnanorör - en form av rent kol där skivor av kolatomer rullas ihop till små rör - "självmontera" till en tätt bunden struktur som är porös på nanometerskala (miljarddelar av en meter). Dessutom, kolnanorören har många syregrupper på sina ytor, som kan lagra ett stort antal litiumjoner; detta gör att kolnanorör för första gången kan fungera som den positiva elektroden i litiumbatterier, istället för bara den negativa elektroden.
Denna "elektrostatiska självmonteringsprocess" är viktig, Hammond förklarar, eftersom kolnanorör vanligtvis på en yta tenderar att klumpa ihop sig i buntar, lämnar färre utsatta ytor att genomgå reaktioner. Genom att införliva organiska molekyler på nanorören, de sätts ihop på ett sätt som "har en hög grad av porositet samtidigt som de har ett stort antal nanorör närvarande, " hon säger.
Litiumbatterier med det nya materialet visar några av fördelarna med båda kondensatorerna, som kan producera mycket hög effekt i korta skurar, och litiumbatterier, som kan ge lägre effekt stadigt under långa perioder, säger Lee. Energiuttaget för en given vikt av detta nya elektrodmaterial visade sig vara fem gånger större än för konventionella kondensatorer, och den totala kraftleveranshastigheten var 10 gånger högre än för litiumjonbatterier, säger laget. Denna prestanda kan hänföras till bra ledning av joner och elektroner i elektroden, och effektiv litiumlagring på ytan av nanorören.
Förutom deras höga effekt, kolnanorörselektroderna visade mycket god stabilitet över tid. Efter 1, 000 cykler med laddning och urladdning av ett testbatteri, det fanns ingen detekterbar förändring i materialets prestanda.
Elektroderna som laget producerade hade tjocklekar upp till några mikron, och förbättringarna i energileveransen sågs endast vid höga effektnivåer. I framtida arbete, laget siktar på att producera tjockare elektroder och utöka den förbättrade prestandan till lågeffektutgångar också, de säger. I sin nuvarande form, materialet kan ha tillämpningar för små, bärbara elektroniska enheter, säger Shao-Horn, men om den rapporterade höga effektförmågan demonstrerades i en mycket tjockare form - med tjocklekar på hundratals mikron snarare än bara några få - kan den så småningom vara lämplig för andra applikationer som hybridbilar.
Medan elektrodmaterialet producerades genom att växelvis doppa ett substrat i två olika lösningar - en relativt tidskrävande process - föreslår Hammond att processen skulle kunna modifieras genom att istället spraya de alternativa skikten på ett rörligt materialband, en teknik som nu utvecklas i hennes labb. Detta kan så småningom öppna möjligheten för en kontinuerlig tillverkningsprocess som kan skalas upp till höga volymer för kommersiell produktion, och kan även användas för att producera tjockare elektroder med större effektkapacitet. "Det finns ingen verklig gräns" för den potentiella tjockleken, säger Hammond. "Den enda gränsen är den tid det tar att göra lagren, "och spruttekniken kan vara upp till 100 gånger snabbare än doppning, hon säger.
Lee säger att medan kolnanorör har producerats i begränsade mängder hittills, ett antal företag förbereder sig för närvarande för massproduktion av materialet, vilket skulle kunna bidra till att göra det till ett livskraftigt material för storskalig batteritillverkning.
