(Phys.org) — Kraftfullare batterier kan hjälpa elbilar att nå en betydligt större räckvidd och därmed ett genombrott på marknaden. Ett nytt nanomaterial för litiumjonbatterier som utvecklats i laboratorier hos kemister vid ETH Zürich och Empa kan komma in i bilden här.

De tillhandahåller ström till elbilar, elcyklar, Smartphones och bärbara datorer:nuförtiden, laddningsbara litiumjonbatterier är det lagringsmediet du väljer när det gäller att leverera en stor mängd energi på ett litet utrymme och lätt. Över hela världen, forskare forskar för närvarande på en ny generation av sådana batterier med förbättrad prestanda. Forskare under ledning av Maksym Kovalenko från Laboratory of Inorganic Chemistry vid ETH Zürich och Empa har nu utvecklat ett nanomaterial som gör att betydligt mer kraft kan lagras i litiumjonbatterier.

Nanomaterialet består av små tennkristaller, som ska placeras vid minuspolen på batterierna (anod). När du laddar batterierna, litiumjoner absorberas vid denna elektrod; vid urladdning, de släpps igen (se ruta). "Ju fler litiumjoner elektroderna kan absorbera och släppa - desto bättre kan de andas, som det var – desto mer energi kan lagras i ett batteri, " förklarar Kovalenko.

Enhetliga kristaller

Grundämnet tenn är idealiskt för detta:varje tennatom kan absorbera minst fyra litiumjoner. Dock, utmaningen är att hantera volymförändringen av tennelektroder:tennkristall blir upp till tre gånger större om den absorberar mycket litiumjoner och krymper igen när den släpper tillbaka dem. Forskarna tog alltså till nanoteknik:de producerade de minsta tennnanokristallerna och bäddade in ett stort antal av dem i en porös, ledande permeabel kolmatris. Ungefär som hur en svamp kan suga upp vatten och släppa det igen, en elektrod konstruerad på detta sätt kan absorbera litiumjoner under laddning och släppa dem vid urladdning. Om elektroden var gjord av ett kompakt tennblock, detta skulle praktiskt taget vara omöjligt.

Under utvecklingen av nanomaterialet, frågan om den ideala storleken för nanokristallerna uppstod, vilket också innebär utmaningen att producera enhetliga kristaller. "Tricket här var att separera de två grundläggande stegen i bildandet av kristallerna - bildandet av så liten som en kristallkärna som möjligt å ena sidan och dess efterföljande tillväxt å andra sidan, " förklarar Kovalenko. Genom att påverka tiden och temperaturen för tillväxtfasen, forskarna kunde kontrollera storleken på kristallerna. "Vi är de första som producerar så små tennkristaller med sådan precision, säger forskaren.

Större cykelstabilitet

Använda enhetliga nanokristaller av tenn, kol och bindemedel, forskarna producerade olika testelektroder för batterier. "Detta gör att dubbelt så mycket kraft kan lagras jämfört med konventionella elektroder, " säger Kovalenko. Storleken på nanokristallerna påverkade inte lagringskapaciteten under den första laddnings- och urladdningscykeln. Efter några laddnings- och urladdningscykler, dock, skillnader orsakade av kristallstorleken blev uppenbara:batterier med tio nanometer kristaller i elektroderna kunde lagra betydligt mer energi än batterier med dubbelt så stor diameter. Forskarna antar att de mindre kristallerna fungerar bättre eftersom de kan absorbera och frigöra litiumjoner mer effektivt. "Tio nanometer tennkristaller verkar alltså vara bara biljetten för litiumjonbatterier, säger Kovalenko.

Eftersom forskarna nu vet den idealiska storleken för tennnanokristallerna, de skulle vilja rikta uppmärksamheten mot de återstående utmaningarna med att producera optimala tennelektroder i ytterligare forskningsprojekt. Dessa inkluderar valet av bästa möjliga kolmatris och bindemedel för elektroderna, och elektrodernas ideala mikroskopiska struktur. Dessutom, En optimal och stabil elektrolytvätska där litiumjonerna kan färdas fram och tillbaka mellan de två polerna i batteriet behöver också väljas. I sista hand, produktionskostnaderna är också ett problem, som forskarna vill minska genom att testa vilka kostnadseffektiva basmaterial som är lämpliga för elektrodtillverkning. Syftet är att förbereda batterier med ökad energilagringskapacitet och livslängd för marknaden, bland annat i samarbete med en schweizisk industripartner.