Mikroskopiska porer prickar en kiselwafer förberedd för användning i ett litiumjonbatteri. Kisel har stor potential att öka lagringskapaciteten för batterier, och porerna hjälper det att expandera och dra ihop sig när litium lagras och frigörs. (Kredit:Biswal Lab/Rice University)
Ett team av forskare från Rice University och Lockheed Martin har upptäckt ett sätt att använda enkelt kisel för att radikalt öka kapaciteten hos litiumjonbatterier.
Sibani Lisa Biswal, en biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik, avslöjade hur hon, kollega Michael Wong, en professor i kemi och biomolekylär teknik och i kemi, och Steven Sinsabaugh, en Lockheed Martin Fellow, förbättrar den inneboende förmågan hos kisel att absorbera litiumjoner.
Deras arbete presenterades idag på Rice's Buckyball Discovery Conference, del av ett årslångt firande av 25-årsdagen av den Nobelprisbelönta upptäckten av buckminsterfulleren, eller kol 60, molekyl. ( PhysOrg.com är en officiell mediasponsor för evenemanget ). Det kan bli en nyckelkomponent för elbilsbatterier och energilagring med stor kapacitet, sa de.
"Anoden, eller negativ, sidan av dagens batterier är gjorda av grafit, som fungerar. Det finns överallt, " sa Wong. "Men det är maxat. Du kan inte stoppa in mer litium i grafit än vad vi redan har."
Kisel har den högsta teoretiska kapaciteten av något material för att lagra litium, men det finns en allvarlig nackdel med dess användning. "Den kan suga upp mycket litium, cirka 10 gånger mer än kol, vilket verkar fantastiskt, " sa Wong. "Men efter ett par cykler av svullnad och krympning, det kommer att spricka."
En sidovy av mikroskopiska porer i kisel. (Kredit:Biswal Lab/Rice University)
Andra laboratorier har försökt lösa problemet med mattor av kisel nanotrådar som absorberar litium som en mopp suger upp vatten, men Rice-laget tog en annan takt.
Med Mahduri Thakur, en postdoktorand forskare vid Rice's Chemical and Biomolecular Engineering Department, och Mark Isaacson från Lockheed Martin, Biswal, Wong och Sinsabaugh fann att genom att sätta mikronstora porer i ytan på en kiselskiva ger materialet tillräckligt med utrymme att expandera. Medan vanliga litiumjonbatterier rymmer cirka 300 milliampere timmar per gram kolbaserat anodmaterial, de fastställde att det behandlade kislet teoretiskt kunde lagra mer än 10 gånger den mängden.
Sinsabaugh beskrev genombrottet som en av de första frukterna av Lockheed Martin Advanced Nanotechnology Center of Excellence at Rice (LANCER). Han sa att projektet började för tre år sedan när han träffade Biswal på Rice och jämförde anteckningar. "Hon arbetade på poröst kisel, och jag visste att kiselnanostrukturer undersöktes för batterianoder. Vi lägger två och två tillsammans, " han sa.
Nanoporer är enklare att skapa än kisel nanotrådar, sa Biswal. Porerna, en mikron bred och från 10 till 50 mikron lång, bildas när positiv och negativ laddning appliceras på sidorna av en kiselskiva, som sedan badas i ett fluorvätelösningsmedel. "väte- och fluoridatomerna separeras, " sa hon. "Floret angriper ena sidan av kislet, bildar porerna. De bildas vertikalt på grund av den positiva och negativa fördomen."
Det behandlade kislet, Hon sa, "ser ut som schweizisk ost."
Den enkla processen gör den mycket anpassningsbar för tillverkning, Hon sa. "Vi kräver inte några av de svåra bearbetningsstegen de gör - det höga vakuumet och att behöva tvätta nanorören. Massetsning är mycket enklare att bearbeta.
"Den andra fördelen är att vi har sett ganska långa livslängder. Våra nuvarande batterier har 200-250 cykler, mycket längre än nanotrådsbatterier, sa Biswal.
De sa att att sätta porer i kisel kräver en riktig balansgång, ju mer utrymme ägnas åt hålen, desto mindre material är tillgängligt för att lagra litium. Och om kislet expanderar till den punkt där porväggarna berör, materialet kan brytas ned.
Forskarna är övertygade om att billig, rikligt med kisel i kombination med enkel tillverkning kan hjälpa till att driva deras idé till mainstream.
"Vi är mycket glada över potentialen i detta arbete, ", sa Sinsabaugh. "Detta material har potential att avsevärt öka prestandan hos litiumjonbatterier, som används i ett brett spektrum av kommersiella, militära och rymdtillämpningar
Biswal och Wong planerar att studera mekanismen genom vilken kisel absorberar litium och hur och varför det bryts ner. "Vårt mål är att utveckla en modell av den påfrestning som kisel utsätts för i cykellitium, " sa Wong. "När vi förstår det, vi kommer att ha en mycket bättre uppfattning om hur vi kan maximera dess potential."
