Lite vax och tvål kan hjälpa till att bygga elektroder för billigare litiumjonbatterier, enligt en studie i 11 augusti nummer av Nano bokstäver . Enstegsmetoden gör det möjligt för batteriutvecklare att utforska billigare alternativ till litiumjonmetalloxidbatterierna som för närvarande finns på marknaden.

"Paraffin ger ett medium för att odla bra elektrodmaterial, "sa materialvetaren Daiwon Choi vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory." Denna metod kommer att hjälpa forskare att undersöka katodmaterial baserat på billigare övergångsmetaller som mangan eller järn. "

Konsumenter använder långvariga uppladdningsbara litiumjonbatterier i allt från mobiltelefoner till den senaste bärbara prylen. Vissa biltillverkare vill använda dem i fordon. De flesta litiumjonbatterier som finns tillgängliga idag är konstruerade med en metalloxid som kobolt, nickel, eller mangan. Choi och kollegor vid PNNL och State University of New York i Binghamton ville utforska både billigare metaller och det mer stabila fosfatet istället för oxid.

The Recharge Tale

Dessa laddningsbara batterier fungerar eftersom litium är självisk och vill ha en egen elektron. Positivt laddade litiumjoner hänger normalt i metalloxid, stallet, positiv elektrod i batterier. Metalloxid delar generöst sina elektroner med litiumjonerna.

Laddning med el pumpar in elektroner i den negativa elektroden, och när litiumjonerna ser de fritt flytande negativa laddningarna över batteriet, de lockas till liv bort från metalloxidburen. Så av med litiumjonerna, överge metalloxiden och dess delade elektroner för att spendera tid på att njuta av sina egna privata.

Men affären håller inte - att använda batteriet i en elektronisk enhet skapar en ledning genom vilken de hala elektronerna kan flöda. Tappar sina elektroner, litiumjonerna glider tillbaka till den ständigt väntande metalloxiden. Laddning startar hela den fula processen om.

Billigare, Stabilare

Även om koboltoxid fungerar bra i litiumbatterier, kobolt och nickel är dyrare än mangan eller järn. Dessutom, genom att ersätta fosfat med oxid ger en mer stabil struktur för litium.

Litiumjärnfosfatbatterier är kommersiellt tillgängliga i vissa elverktyg och solprodukter, men syntesen av elektrodmaterialet är komplicerad. Choi och kollegor ville utveckla en enkel metod för att förvandla litiummetallfosfat till en bra elektrod.

Litiummanganfosfat - LMP - kan teoretiskt lagra några av de högsta energimängderna för de laddningsbara batterierna, väger in på 171 milliAmp timmar per gram material. Hög lagringskapacitet gör att batterierna kan vara lätta. Men andra utredare som arbetar med LMP har inte ens kunnat ta ut 120 milliAmp timmar per gram så långt från materialet de har syntetiserat.

Choi menade att 30 procents kapacitetsförlust kan bero på att litium och elektroner måste kämpa sig igenom metalloxiden, en egenskap som kallas motstånd. Ju mindre avstånd litium och elektroner måste resa ut ur katoden, han trodde, desto mindre motstånd och mer elektricitet kunde lagras. En mindre partikel skulle minska det avståndet.

Men att växa mindre partiklar kräver lägre temperaturer. Tyvärr, lägre temperaturer innebär att metalloxidmolekylerna misslyckas med att ligga bra i kristallerna. Slumpmässighet är olämplig för katodmaterial, så forskarna behövde en ram där ingredienserna - litium, mangan och fosfat - kan ordna sig till snygga kristaller.

Vax på, Wax Off

Paraffinvax består av långa raka molekyler som inte reagerar med mycket, och de långa molekylerna kan hjälpa till att ställa upp saker. Tvål - ett ytaktivt ämne som kallas oljesyra - kan hjälpa de växande kristallerna att spridas jämnt.

Så, Choi och kollegor blandade elektrodingredienserna med smält paraffin och oljesyra och lät kristallerna växa när de långsamt höjde temperaturen. Vid 400 Celsius (fyra gånger temperaturen på kokande vatten), kristaller hade bildats och vaxet och tvålen hade kokat av. Materialforskare stärker i allmänhet metaller genom att utsätta dem för hög värme, så laget höjde temperaturen ännu mer för att smälta ihop kristallerna till en tallrik.

"Denna metod är mycket enklare än andra sätt att göra litiummanganfosfatkatoder, "sa Choi." Andra grupper har en komplicerad, flerstegsprocess. Vi blandar alla komponenter och värmer upp det. "

För att mäta storleken på de små plattorna, laget använde ett transmissionselektronmikroskop i EMSL, DOE:s miljömolekylära laboratorium på PNNL -campus. Nära, mycket liten, tunna rektanglar stickade på alla sätt. Nanoplattorna mätte cirka 50 nanometer tjocka - ungefär tusen gånger tunnare än ett människohår - och upp till 2000 nanometer på en sida. Andra analyser visade att kristalltillväxten var lämplig för elektroder.

För att testa LMP, laget skakade nanoplattorna fria från varandra och lade till en ledande kolfiberstöd, som fungerar som den positiva elektroden. Teamet testade hur mycket el materialet kunde lagra efter laddning och urladdning snabbt eller långsamt.

När forskarna laddade nanoplattorna långsamt över en dag och sedan släppte ut dem lika långsamt, LMP -minibatteriet höll lite mer än 150 milliAmp timmar per gram material, högre än andra forskare hade kunnat uppnå. Men när batteriet laddades ur snabbt - säg, inom en timme, som sjönk till cirka 117, jämförbart med annat material.

Dess bästa prestanda slog till vid det teoretiska maxvärdet på 168 milliAmp timmar per gram, när den långsamt laddades och urladdades under två dagar. Laddning och urladdning på en timme - ett rimligt mål för användning i konsumentelektronik - gjorde det möjligt att lagra en ynka 54 milliAmp timmar per gram.

Även om denna version av ett LMP -batteri laddas långsammare än andra katodmaterial, Choi sa att den verkliga fördelen med detta arbete är att det enkla, enstegsmetod låter dem utforska en mängd olika billiga material som traditionellt har varit svåra att arbeta med för att utveckla uppladdningsbara litiumjonbatterier.

I framtiden, teamet kommer att ändra hur de införlivar kolbeläggningen på LMP -nanoplattorna, vilket kan förbättra deras laddnings- och urladdningshastigheter.