En helt ny typ av nanomaterial som utvecklats vid Rensselaer Polytechnic Institute kan möjliggöra nästa generation av högeffekts uppladdningsbara litium(Li)-jonbatterier för elbilar, samt batterier för bärbara datorer, mobiltelefoner, och andra bärbara enheter.

Det nya materialet, kallad en "nanoscoop" eftersom dess form liknar en strut med en kula glass på toppen, tål extremt höga laddnings- och urladdningshastigheter som skulle få konventionella elektroder som används i dagens Li-ion-batterier att snabbt försämras och misslyckas. Nanoscoops framgång ligger i dess unika materialsammansättning, strukturera, och storlek.

Rensselaers forskargrupp, ledd av professor Nikhil Koratkar, demonstrerade hur en nanoscoop-elektrod kunde laddas och laddas ur med en hastighet 40 till 60 gånger snabbare än konventionella batterianoder, samtidigt som en jämförbar energitäthet bibehålls. Denna fantastiska prestation, som uppnåddes över 100 kontinuerliga laddnings-/urladdningscykler, har teamet övertygat om att deras nya teknologi har betydande potential för design och realisering av högeffekt, uppladdningsbara litiumjonbatterier med hög kapacitet.

"Ladda min bärbara dator eller mobiltelefon på några minuter, snarare än en timme, låter ganska bra för mig, sa Koratkar, en professor vid institutionen för mekaniska, Aerospace, och kärnteknik vid Rensselaer. "Genom att använda våra nanoskopor som anodarkitektur för uppladdningsbara litiumjonbatterier, detta är en mycket verklig framtidsutsikt. Dessutom, denna teknik skulle potentiellt kunna utökas för att passa de krävande behoven av batterier för elbilar."

Batterier för helelektriska fordon måste leverera höga effekttätheter utöver höga energitätheter, sa Koatkar. Dessa fordon använder idag superkondensatorer för att utföra kraftkrävande funktioner, som start av fordonet och snabb acceleration, i kombination med konventionella batterier som ger hög energitäthet för normal kryssningskörning och andra operationer. Koratkar sa att uppfinningen av nanoscoops kan göra det möjligt för dessa två separata system att kombineras till en enda, effektivare batterienhet.

Resultaten av studien beskrivs i uppsatsen "Functionally Strain-Graded Nanoscoops for High Power Li-Ion Battery Anodes, " publicerad i torsdags av tidskriften Nanobokstäver .

Anodstrukturen hos ett litiumjonbatteri växer fysiskt och krymper när batteriet laddas eller laddas ur. Vid laddning, tillsatsen av Li-joner ökar anodens volym, medan urladdning har motsatt effekt. Dessa volymförändringar resulterar i en uppbyggnad av spänningar i anoden. För stor stress som byggs upp för snabbt, som i fallet med ett batteri som laddas eller laddas ur vid höga hastigheter, kan göra att batteriet slutar fungera i förtid. Det är därför de flesta batterier i dagens bärbara elektroniska enheter som mobiltelefoner och bärbara datorer laddas väldigt långsamt – den långsamma laddningshastigheten är avsiktlig och utformad för att skydda batteriet från stressinducerade skador.

Rensselaer-teamets nanoscoop, dock, konstruerades för att motstå denna uppbyggnad av stress. Tillverkad av en kol (C) nanorod bas toppad med ett tunt lager av nanoskala aluminium (Al) och en "scoop" av nanoskala kisel (Si), strukturerna är flexibla och kan snabbt ta emot och släppa ut Li-joner med extremt snabba hastigheter utan att drabbas av betydande skada. Den segmenterade strukturen av nanoscoop tillåter att stammen gradvis överförs från C-basen till Al-skiktet, och slutligen till Si-scoop. Denna naturliga töjningsgradation ger en mindre abrupt övergång i spänning över materialgränssnitten, leder till förbättrad strukturell integritet hos elektroden.

Skopans storlek i nanoskala är också viktig eftersom nanostrukturer är mindre benägna att spricka än bulkmaterial, enligt Koratkar.

"På grund av deras storlek i nanoskala, våra nanoskopor kan blötlägga och släppa ut Li i höga hastigheter mycket mer effektivt än de makroskaliga anoderna som används i dagens Li-ion-batterier, ", sa han. "Detta betyder att vår nanoscoop kan vara lösningen på ett kritiskt problem som bilföretag och andra batteritillverkare står inför – hur kan du öka ett batteris effekttäthet samtidigt som energitätheten håller hög?"

En begränsning av nanoscoop-arkitekturen är den relativt låga totala massan hos elektroden, sa Koratkar. För att lösa detta, lagets nästa steg är att försöka odla längre skopor med större massa, eller utveckla en metod för att stapla lager av nanoskopor ovanpå varandra. En annan möjlighet som teamet undersöker inkluderar att odla nanoskoporna på stora flexibla substrat som kan rullas eller formas för att passa längs bilens konturer eller chassi.