Litiumjonbatterier används för att driva ett brett utbud av elektroniska enheter, inklusive datorer, kameror, digitala ljudspelare och miniräknare. Enorma ansträngningar har ägnats åt utvecklingen av litiumjonbatterier, speciellt för att förbättra effektiviteten och integriteten hos batterielektroderna. Detta beror på att under urladdnings- och laddningsprocesserna, litiumjoner inkorporeras upprepade gånger i och extraheras från elektroderna genom legeringsbildning eller kemisk omvandling. Dessa återkommande händelser är kända för att orsaka den progressiva nedbrytningen av elektroderna, irreversibelt skada batteriets prestanda.

Yu Wang vid A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences och medarbetare har nu visat en elegant strategi för att minska nedbrytningsproblemet och öka kapacitetsretentionen hos litiumjonbatterier under många laddnings-urladdningscykler. Strategin involverar användningen av ett kompositmaterial med en peapod-struktur bestående av koboltoxid (Co ₃ O ₄ ) nanopartiklar inbäddade i kolfibrer (se bild).

Koboltoxid är ett lovande material för anoder i litiumjonbatterier eftersom dess kapacitet att hålla joner är högre än för konventionella elektrodmaterial, såsom tenn. Dessutom, Co ₃ O ₄ kan enkelt konverteras till LiCoO ₂ , vilket är det material som för närvarande används i kommersiella katoder. Forskarna tillverkade peapod-strukturerna genom att värma koboltkarbonathydroxid-nanobälten belagda med lager av polymeriserat glukos i en inert atmosfär vid 700 ºC och sedan i luft vid 250 ºC. Elektroder byggda med peapod-kompositen hade förbättrad litiumlagring och kapacitetsbevarande – och levererade 91 % av den totala möjliga kapaciteten efter 50 laddnings-urladdningscykler.

"Co ₃ O ₄ nanopartiklar fungerar som aktiva material för att lagra litiumjoner och de ihåliga kolfibrerna skyddar och förhindrar Co3O4-nanopartiklarna från att aggregera och kollapsa, säger Wang. Kolfibrerna spelar också rollen som att leda elektroner från nanopartiklarna.

Enligt Wang, bortsett från den lovande tillämpningen i litiumjonbatterier, tillverkningen av peapod-kompositen är en bedrift i sig, eftersom det är första gången som sådana isolerade magnetiska nanopartiklar inbäddade i ihåliga fibrer har producerats. Svepelektronmikroskopi visade att peapod-kompositen uppvisar en enhetlig morfologi, med kapsellängder på upp till flera mikrometer och poddiametrar på så små som 50 nanometer. Forskarna tror att deras metod skulle kunna utvidgas till att generera inkapslade nanopartiklar med användning av ett brett utbud av material med tillämpningar bortom litiumjonbatterier, till exempel, inom genteknik, katalys, gasavkänning och tillverkning av kondensatorer och magneter.