Forskare vid USC har utvecklat en ny litiumjonbatteridesign som använder porösa kiselnanopartiklar i stället för de traditionella grafitanoderna för att ge överlägsen prestanda.

De nya batterierna – som kan användas i allt från mobiltelefoner till hybridbilar – håller tre gånger så mycket energi som jämförbara grafitbaserade konstruktioner och laddas inom 10 minuter. Designen, för närvarande under ett provisoriskt patent, kan vara kommersiellt tillgänglig inom två till tre år.

"Det är en spännande forskning. Det öppnar dörren för designen av nästa generations litiumjonbatterier, sade Chongwu Zhou, professor vid USC Viterbi School of Engineering, som ledde teamet som utvecklade batteriet. Zhou arbetade med USC-studenter Mingyuan Ge, Jipeng Rong, Xin Fang och Anyi Zhang, samt Yunhao Lu från Zhejiang University i Kina. Deras forskning publicerades i Nanoforskning i januari.

Forskare har länge försökt använda kisel, som är billig och har en hög potentiell kapacitet, i batterianoder. (Anoder är där ström flyter in i ett batteri, medan katoder är där ström rinner ut.) Problemet har varit att tidigare kiselanodkonstruktioner, som i princip var små plattor av materialet, bröt ihop av upprepad svullnad och krympning under laddnings-/urladdningscykler och blev snabbt värdelös.

Förra året, Zhous team experimenterade med porösa nanotrådar av kisel som är mindre än 100 nanometer i diameter och bara några mikrometer långa. De små porerna på nanotrådarna gjorde att kislet kunde expandera och dra ihop sig utan att gå sönder samtidigt som ytan ökade – vilket i sin tur tillåter litiumjoner att diffundera in och ut ur batteriet snabbare, förbättra prestanda.

Även om batterierna fungerade bra, nanotrådarna är svåra att tillverka i massor. För att lösa problemet, Zhous team tog kommersiellt tillgängliga nanopartiklar - små kiselkulor - och etsade dem med samma porer som nanotrådarna. Partiklarna fungerar på liknande sätt och kan tillverkas i vilken mängd som helst.

Även om kiselnanopartikelbatterierna för närvarande bara håller i 200 laddningscykler (jämfört med ett genomsnitt på 500 för grafitbaserade konstruktioner), lagets äldre kisel nanotrådsbaserade design varade i upp till 2, 000 cykler, som rapporterades i Nano Lett i april förra året. Ytterligare utveckling av nanopartikeldesignen bör öka batteriets livslängd, sa Zhou.

"Den enkla metoden vi använder kan ge verklig effekt på batteriapplikationer inom en snar framtid, " sa Zhou.

Framtida forskning av gruppen kommer att fokusera på att hitta ett nytt katodmaterial med hög kapacitet som kommer att paras väl med de porösa kiselnanotrådarna och/eller porösa kiselnanopartiklarna för att skapa ett helt omdesignat batteri.