(PhysOrg.com) - Stanford -forskare har använt nanoteknik för att uppfinna en bättre litiumjonbatterikatod.

Utformningen av dagens laddningsbara litiumjonbatterier begränsar användningen av ny teknik som elbilar och energilagring i nät, eftersom de inte lagrar tillräckligt med energi i förhållande till deras volym och vikt-eller, som forskare skulle säga, deras energitäthet är för låg.

Att lösa det problemet handlar till stor del om att hitta nytt material för de positivt och negativt laddade batterielektroderna, katoden och anoden.

Forskargruppen för batteriuppfinnaren Yi Cui, docent i materialvetenskap och teknik, använder nanoteknik för att tillverka elektrodmaterial som kraftigt förbättrar litiumjonbatteriernas elektriska lagringskapacitet. I tidigare forskning har de uppfann batterianoder igen genom att tillverka dem med silikon -nanotrådar.

Nu, Cui och hans studenter har använt svavelbelagda ihåliga kolnanofibrer och en speciell elektrolytadditiv för att förbättra den andra änden av det laddningsbara litiumjonbatteriet, katoden. Resultaten publicerades online den 14 september i tidningen Nano bokstäver .

Enligt Cui, att sätta kisel-nanotrådanoder och svavelbelagda kolkatoder i ett batteri är nästa generations batteridesign.

"Jag tror starkt att det är ett lovande framtida val för att göra bättre batterier, "Sa Cui.

"Svavel är ett av materialen som kan erbjuda en 10 gånger högre laddningskapacitet men med ungefär hälften av det befintliga batteriets spänning, " han sa.

Både laddningskapaciteten och spänningen påverkar hur mycket energi ett batteri kan leverera. Med svavelkatoden som en del av ett komplett batteri, den högre laddningskapaciteten gör det möjligt att bygga ett batteri med fyra till fem gånger energilagringen jämfört med befintlig litiumjonbatteriteknik.

Litium-svavelbatterier har fått uppmärksamhet på grund av svavelens låga kostnad och giftfrihet. Dock, tidigare generationer av litiumsvavelkatoder har inte varit lönsamma för kommersialisering eftersom de snabbt misslyckas vid upprepad laddning och laddning.

Den nya katodtillverkningen löser ett antal materiella problem som, Cui sa, "sammanlagt representerar en riktigt stor utmaning att få detta material att fungera som ett livskraftigt batteri."

I tidigare litium-svavel katoddesigner, svavelbeläggningar på relativt öppna kolstrukturer. Detta är ett problem eftersom det utsätter svavel för batteriets elektrolytlösning. När mellanreaktionsprodukter som kallas litiumpolysulfider kommer i kontakt med elektrolytlösningen, de minskar batteriets kapacitet genom att lösa upp i elektrolyten.

Som Cuis doktorand, Wesley Guangyuan Zheng, förklarade, "Detta kan vara motstridigt, för på ena sidan vill vi inte att en stor yta kommer i kontakt med svavel och elektrolyt, och å andra sidan vill vi ha en stor yta för elektriska och joniska konduktiviteter. "

Den nya designen löser konflikten med en unik tillverkningsprocess som gör det möjligt för svavel att täcka insidan av en ihålig nanofiber i kol, men inte utsidan. Denna tillverkningsprocess bygger på en ny användning av en kommersiellt tillgänglig filterteknik som normalt appliceras på vattenfiltrering.

Den nya katoddesignen förbättrar också batterikapaciteten eftersom den har en nästan stängd struktur som förhindrar att polysulfider väsentligt läcker ut i elektrolytlösningen. Längden på en ihålig nanofiber är cirka 300 gånger dess diameter; de långa och smala kanalerna förhindrar att polysulfider läcker ut.

Förutom de energilagringsvinster som gjorts med förbättrad nanofiberframställning av svavelhål, Cuis doktorand Yuan Yang inkluderade en elektrolytadditiv som förbättrar batteriets laddning och energieffektivitet, känd som coulombic effektivitet.

"Utan tillsatsen sätter du 100 elektroner i batteriet och du får ut 85. Med tillsatsen, du får ut 99, "Sa Cui.

"För att utforma den bästa strukturen behöver vi både elektrodesignen och elektrolytadditivet och dessa två tillsammans kan ge dig en hög kapacitet och hög coulombisk effektivitet, "Cui sa." Vi har nu hög kapacitet på båda sidor av elektroden; det är spännande."