Liknar trasiga äggskal, grafenstrukturer byggda runt bubblor producerade ett litium-luftbatteri med den högsta energikapaciteten hittills, enligt forskare vid Pacific Northwest National Laboratory och Princeton University. Denna svarta, poröst material kan ersätta de traditionella släta grafenarken i litium-luftbatterier, som blir igensatta av små partiklar under användning. Som en extra bonus, lagets nya material är inte beroende av platina eller andra ädelmetaller, minska dess potentiella kostnad och miljöpåverkan.

"Denna hierarkiska struktur av självmonterade grafenark är en idealisk design inte bara för litium-luftbatterier utan också för många andra potentiella energitillämpningar, " sa Dr Jie Xiao, materialvetaren vid PNNL som ledde studien.

Litium-luftbatterier kan möjliggöra skapandet av elfordon med lång räckvidd, kan färdas upp till 300 mil mellan laddningarna. Jämförelsevis lätt, Litium-luftbatterier lider fortfarande av begränsad praktisk kapacitet och problem med dålig livslängd. Dock, denna studie visade hur man kan maximera batteriernas kapacitet.

"Detta är avgörande för applikationer, inklusive elfordon och energilagring, " sa Dr Jun Liu, en materialvetare på studien och chef för PNNL:s Transformational Materials Science Initiative, som finansierade forskningen.

Teamet började med att kombinera ett bindemedel med grafen, en speciell form av kol. Bindemedlet spred grafenet i lösning, som tvål sprider fett i diskvatten. Grafenet och bindemedlet sattes sedan till vatten och blandades med en process som skapade bubblor inuti lösningen. Grafenet och bindemedlet bildades och stelnade runt bubblorna. När bubblorna så småningom dök upp, ihåliga sfärer av grafen lämnades kvar. De små svarta partiklarna är bara 3 till 4 mikron i diameter, tio gånger mindre än ett människohår.

Med hjälp av både modellering och mikroskopi, forskarna analyserade grafenstrukturerna och deras prestanda. De utförde densitetsfunktionella teoriberäkningar på superdatorsystemet vid National Energy Research Scientific Computing Center. De studerade partiklarna med hjälp av elektronmikroskopi vid Environmental Molecular Sciences Laboratory.

Forskarna fann att de svarta porösa strukturerna lagrar mer än 15, 000 milliampere timmar per gram grafen, vilket gör den mycket tätare när det gäller energikapacitet än andra material.

"Många katalysatorer studeras nu för denna teknik. I vår process valde vi att inte använda ädelmetall, " sa Dr Ji-Guang Zhang, gruppledaren inom PNNL:s Li-air batteriforskning. "Detta kommer att avsevärt minska produktionskostnaderna och öka användbarheten."

Batteriet uppnår de högsta nivåerna av energikapacitet i en miljö med enbart syre. När den används i omgivande luft, kapaciteten sjunker eftersom vattnet i luften smutsar ner litiummetallen i batterierna. PNNL-teamet arbetar med att utveckla ett membran för att blockera vattnet och fortfarande tillåta det nödvändiga syret att flöda

"Vi vill också göra batteriet uppladdningsbart, " sa Zhang. "Just nu, det är det inte. Den är inte helt uppladdningsbar. Vi arbetar på en ny elektrolyt och en ny katalysator så att batteriet kan laddas flera gånger, potentiellt för batteribackupapplikationer som kräver höga energidensiteter."