Ingenjörsforskare vid Rensselaer Polytechnic Institute gjorde ett pappersark av världens tunnaste material, grafen, och sedan zappade papperet med en laser eller kamerablixt för att fläcka det med otaliga sprickor, porer, och andra ofullkomligheter. Resultatet är ett grafenanodmaterial som kan laddas eller laddas ur 10 gånger snabbare än konventionella grafitanoder som används i dagens litium(Li)-jonbatterier.

Uppladdningsbara litiumjonbatterier är industristandarden för mobiltelefoner, bärbara och surfplattor, elbilar, och en rad andra enheter. Medan litiumjonbatterier har en hög energitäthet och kan lagra stora mängder energi, de lider av låg effekttäthet och kan inte snabbt ta emot eller ladda ur energi. Denna låga strömtäthet är anledningen till att det tar ungefär en timme att ladda din mobiltelefon eller laptop batteri, och varför elektriska bilmotorer inte kan förlita sig enbart på batterier och kräver en superkondensator för högeffektsfunktioner som acceleration och bromsning.

Rensselaers forskargrupp, ledd av nanomaterialexperten Nikhil Koratkar, försökte lösa detta problem och skapa ett nytt batteri som kunde rymma stora mängder energi men också snabbt acceptera och frigöra denna energi. En sådan innovation skulle kunna lindra behovet av den komplexa sammankopplingen av Li-ion-batterier och superkondensatorer i elbilar, och leda till enklare, bättre presterande fordonsmotorer baserade enbart på högenergi, Li-ion-batterier med hög effekt. Koratkar och hans team är övertygade om sitt nya batteri, skapad av avsiktligt tekniska defekter i grafen, är en viktig språngbräda på vägen till att förverkliga detta stora mål. Sådana batterier kan också avsevärt förkorta tiden det tar att ladda bärbara elektroniska enheter från telefoner och bärbara datorer till medicinsk utrustning som används av ambulanspersonal och första responders.

"Li-ion batteriteknik är magnifik, men verkligen hämmad av dess begränsade effekttäthet och dess oförmåga att snabbt ta emot eller ladda ur stora mängder energi. Genom att använda vårt defektkonstruerade grafenpapper i batteriarkitekturen, Jag tror att vi kan hjälpa till att övervinna denna begränsning, sa Koratkar, John A. Clark och Edward T. Crossan professor i teknik vid Rensselaer. "Vi tror att denna upptäckt är mogen för kommersialisering, och kan ha en betydande inverkan på utvecklingen av nya batterier och elektriska system för elbilar och bärbara elektronikapplikationer.” Resultaten av studien publicerades denna vecka av tidskriften ACS Nano i tidningen "Fototermiskt reducerad grafen som högeffektanoder för litiumjonbatterier."

Koratkar och hans team började undersöka grafen som en möjlig ersättning för grafiten som används som anodmaterial i dagens Li-ion-batterier. I huvudsak ett enda lager av grafit som vanligtvis finns i våra pennor eller kolet vi bränner på våra grillar, grafen är ett atomtjockt ark av kolatomer arrangerade som ett nanoskala hönsnätsstängsel. I tidigare studier, Li-ion-batterier med grafitanoder uppvisade god energitäthet men låg effekttäthet, vilket innebär att de inte kunde ladda eller ladda ur snabbt. Denna långsamma laddning och urladdning berodde på att litiumjoner endast fysiskt kunde komma in i eller ut ur batteriets grafitanod från kanterna, och sakta arbeta sig över längden av de individuella lagren av grafen.

Koratkars lösning var att använda en känd teknik för att skapa ett stort ark grafenoxidpapper. Det här papperet är ungefär lika tjockt som ett vardagligt skrivarpapper, och kan göras nästan vilken storlek eller form som helst. Forskargruppen exponerade sedan en del av grafenoxidpapperet för en laser, och andra prover av papperet exponerades för en enkel blixt från en digitalkamera. I båda fallen, värmen från lasern eller fotoblixten orsakade bokstavligen miniexplosioner i hela papperet, eftersom syreatomerna i grafenoxid drevs ut med våld från strukturen. Efterdyningarna av denna syreexodus var ark av grafen märkta med otaliga sprickor, porer, tomrum, och andra skavanker. Trycket som skapades av det läckande syret fick också grafenpapperet att expandera femfaldigt i tjocklek, skapa stora tomrum mellan de individuella grafenarken.

Forskarna lärde sig snabbt att detta skadade grafenpapper fungerade anmärkningsvärt bra som en anod för ett Li-ion-batteri. Medan litiumjonerna innan sakta korsade hela längden av grafenark för att ladda eller urladdas, jonerna använde nu sprickorna och porerna som genvägar för att snabbt gå in i eller ut ur grafenet – vilket kraftigt ökade batteriets totala effekttäthet. Koratkars team visade hur deras experimentella anodmaterial kunde laddas eller laddas ur 10 gånger snabbare än konventionella anoder i Li-ion-batterier utan att dra på sig en betydande förlust i dess energitäthet. Trots de otaliga mikroskala porerna, sprickor, och tomrum som finns överallt i strukturen, grafenpappersanoden är anmärkningsvärt robust, och fortsatte att prestera framgångsrikt även efter mer än 1, 000 laddnings-/urladdningscykler. Den höga elektriska ledningsförmågan hos grafenarken möjliggjorde också effektiv elektrontransport i anoden, vilket är en annan nödvändig egenskap för högeffektapplikationer.

Koratkar sa att processen att tillverka dessa nya grafenpappersanoder för Li-ion-batterier lätt kan skalas upp för att passa industrins behov. Grafenpappret kan tillverkas i i princip vilken storlek och form som helst, och fototermisk exponering med laser eller kamerablixtar är en enkel och billig process att replikera. Forskarna har ansökt om patentskydd för sin upptäckt. Nästa steg för detta forskningsprojekt är att para ihop grafenanodmaterialet med ett högeffekts katodmaterial för att konstruera ett fullt batteri.