Hybridband av vanadinoxid (VO2) och grafen kan påskynda utvecklingen av högeffekts litiumjonbatterier lämpliga för elbilar och andra krävande applikationer.

Materialforskaren Pulickel Ajayans labb vid Rice University fastställde att det väl studerade materialet är en överlägsen katod för batterier som kan leverera både hög energitäthet och betydande effekttäthet. Forskningen visas online denna månad i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Banden som skapas på Rice är tusentals gånger tunnare än ett pappersark, har ändå potential som vida överväger nuvarande material för deras förmåga att ladda och ladda ur mycket snabbt. Katoder inbyggda i halvceller för testning vid Rice fulladdade och urladdade på 20 sekunder och behöll mer än 90 procent av sin ursprungliga kapacitet efter mer än 1, 000 cykler.

"Detta är den riktning som batteriforskningen går, inte bara för något med hög energitäthet utan också hög effekttäthet, "Ajayan sa. "Det är någonstans mellan ett batteri och en superkondensator."

Banden har också fördelen av att använda relativt rikliga och billiga material. "Detta görs genom en mycket enkel hydrotermisk process, och jag tror att det skulle vara lätt skalbart till stora kvantiteter, " han sa.

Ajayan sa att vanadinoxid länge har ansetts vara ett material med stor potential, och faktiskt vanadinpentoxid har använts i litiumjonbatterier för dess speciella struktur och höga kapacitet. Men oxider är långsamma att ladda och urladda, på grund av deras låga elektriska ledningsförmåga. Det högkonduktiva grafengittret som bokstavligen är inbakat löser det problemet bra, han sa, genom att fungera som en snabb kanal för elektroner och kanaler för joner.

De atomtunna grafenskivorna som är bundna till kristallerna tar upp väldigt lite bulk. I de bästa proverna gjorda på Rice, Hela 84 procent av katodens vikt var den litiumslurpande VO2, som höll 204 milliampetimmar energi per gram. Forskarna, ledd av Rice-studenten Yongji Gong och huvudförfattaren Shubin Yang, sa att de tror att det är bland de bästa övergripande prestanda som någonsin setts för litiumjonbatterielektroder.

"En utmaning för produktionen var att kontrollera villkoren för samsyntesen av VO2-band med grafen, " Sa Yang. Processen innebar att suspendera grafenoxid nanoark med pulveriserad vanadinpentoxid (skiktad vanadinoxid, med två atomer vanadin och fem syre) i vatten och värma det i en autoklav i timmar. Vanadinpentoxiden reducerades fullständigt till VO2, som kristalliserades till band, medan grafenoxiden reducerades till grafen, sa Yang. Banden, med en vävliknande beläggning av grafen, var bara cirka 10 nanometer tjocka, upp till 600 nanometer bred och tiotals mikrometer lång.

"Dessa band var byggstenarna i den tredimensionella arkitekturen, "Yang sa. "Denna unika struktur var gynnsam för ultrasnabb diffusion av både litiumjoner och elektroner under laddnings- och urladdningsprocesser. Det var nyckeln till att uppnå utmärkt elektrokemisk prestanda."

Vid testning av det nya materialet, Yang och Gong fann att dess kapacitet för litiumlagring förblev stabil efter 200 cykler även vid höga temperaturer (167 grader Fahrenheit) vid vilka andra katoder vanligtvis sönderfaller, även vid låga laddnings-urladdningshastigheter.

"Vi tror att detta är verkliga framsteg i utvecklingen av katodmaterial för högeffekts litiumjonbatterier, "Ajayan sa, att antyda att bandens förmåga att spridas i ett lösningsmedel kan göra dem lämpliga som en komponent i de målningsbara batterierna som utvecklats i hans labb.