(Phys.org) -- I mer än ett decennium, forskare har försökt förbättra litiumbaserade batterier genom att ersätta grafiten i en terminal med kisel, som kan lagra 10 gånger mer laddning. Men efter bara några laddnings-/urladdningscykler, kiselstrukturen skulle spricka och smula sönder, gör batteriet oanvändbart.

Nu har ett team under ledning av materialvetaren Yi Cui från Stanford och SLAC hittat en lösning:en smart designad dubbelväggig nanostruktur som varar mer än 6, 000 cykler, mycket mer än vad som behövs av elfordon eller mobil elektronik.

"Det här är en mycket spännande utveckling mot vårt mål att skapa mindre, lättare och mer hållbara batterier än vad som finns idag, sa Cui. Resultaten publicerades 25 mars i Naturens nanoteknik .

Litiumjonbatterier används ofta för att driva enheter från elfordon till bärbar elektronik eftersom de kan lagra en relativt stor mängd energi i en relativt lätt förpackning. Batteriet fungerar genom att kontrollera flödet av litiumjoner genom en flytande elektrolyt mellan dess två poler, kallas anoden och katoden.

Löftet – och risken – med att använda kisel som anod i dessa batterier kommer från hur litiumjonerna binder till anoden under laddningscykeln. Upp till fyra litiumjoner binder till var och en av atomerna i en kiselanod – jämfört med bara en för varje sex kolatomer i dagens grafitanod – vilket gör att den kan lagra mycket mer laddning.

Dock, den sväller också anoden till så mycket som fyra gånger dess initiala volym. Vad mer, en del av elektrolyten reagerar med kisel, täcker den och förhindrar ytterligare laddning. När litium rinner ut ur anoden under urladdning, anoden krymper tillbaka till sin ursprungliga storlek och beläggningen spricker, exponering av färskt kisel för elektrolyten.

Inom bara några cykler, påfrestningen av expansion och sammandragning, i kombination med elektrolytangrepp, förstör anoden genom en process som kallas "decrepitation".

Under de senaste fem åren, Cuis grupp har successivt förbättrat hållbarheten hos kiselanoder genom att göra dem av nanotrådar och sedan ihåliga kiselnanopartiklar. Hans senaste design består av ett dubbelväggigt kisel nanorör belagt med ett tunt lager av kiseloxid, ett mycket tufft keramiskt material.

Detta starka yttre skikt hindrar nanorörets yttervägg från att expandera, så det förblir intakt. Istället, kislet sväller ofarligt in i det ihåliga inre, som också är för liten för att elektrolytmolekyler ska komma in. Efter den första laddningscykeln, den fungerar i mer än 6, 000 cykler med 85 procent kapacitet kvar.

Cui sa att framtida forskning syftar till att förenkla processen för att göra dubbelväggiga kiselnanorör. Andra i hans grupp utvecklar nya högpresterande katoder för att kombinera med den nya anoden för att bilda ett batteri med fem gånger så hög prestanda som dagens litiumjonteknik.

2008, Cui grundade ett företag, Amprius, som licensierade rättigheterna till Stanfords patent för hans kisel nanotrådsanodteknologi. Dess kortsiktiga mål är att producera ett batteri med dubbel energitäthet jämfört med dagens litiumjonbatterier.