Detta är en illustration av en ny batterielektrod gjord av en komposit av hydrogel och kiselnanopartiklar (Si NP). Varje Si NP är inkapslad i en ledande polymer ytbeläggning och ansluten till ett tredimensionellt hydrogelramverk. Kredit:Yi Cui, Stanford University
Forskare vid Stanford University har dramatiskt förbättrat prestanda hos litiumjonbatterier genom att skapa nya elektroder gjorda av kisel och ledande polymerhydrogel, ett svampigt material som liknar det som används i kontaktlinser och andra hushållsprodukter.
Skriver i 4 juni-upplagan av tidskriften Naturkommunikation , forskarna beskriver en ny teknik för att producera låg kostnad, silikonbaserade batterier med potentiella tillämpningar för ett brett utbud av elektriska apparater.
"Att utveckla uppladdningsbara litiumjonbatterier med hög energitäthet och lång livslängd är av avgörande betydelse för att möta de ständigt ökande behoven av energilagring för bärbar elektronik, elfordon och annan teknik, " sade studiens medförfattare Zhenan Bao, professor i kemiteknik vid Stanford.
För att hitta en praktisk, billigt material som ökar lagringskapaciteten för litiumjonbatterier, Bao och hennes Stanford-kollegor vände sig till kisel – en riklig, miljövänligt element med lovande elektroniska egenskaper.
"Vi har försökt utveckla kiselbaserade elektroder för högkapacitets litiumjonbatterier i flera år, " sa studiens medförfattare Yi Cui, en docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford. "Kisel har 10 gånger så stor laddningskapacitet som kol, det konventionella materialet som används i litiumjonelektroder. Problemet är att kisel expanderar och går sönder."
Studier har visat att kiselpartiklar kan genomgå en 400-procentig volymexpansion när de kombineras med litium. När batteriet är laddat eller urladdat, de uppsvällda partiklarna tenderar att spricka och förlora elektrisk kontakt. För att övervinna dessa tekniska begränsningar, Stanford-teamet använde en tillverkningsteknik som kallas in situ-syntespolymerisation som täcker kiselnanopartiklarna i den ledande hydrogelen.
Denna teknik gjorde det möjligt för forskarna att skapa ett stabilt litiumjonbatteri som bibehöll en hög lagringskapacitet genom 5, 000 cykler av laddning och urladdning.
Stanford-forskare använde en batteritillverkningsprocess för att tillverka nya kisel-/hydrogelelektroder. Kiselnanopartiklar dispergerades i en röd hydrogellösning, bildande av en mörkgrön gel som bladades på en kopparfolieströmsamlare och torkades. Kredit:Yi Cui, Stanford University
"Vi tillskriver den exceptionella elektrokemiska stabiliteten hos batteriet till den unika nanoskala arkitekturen hos kiselkompositelektroden, " sa Bao.
Med hjälp av ett svepelektronmikroskop, forskarna upptäckte att den porösa hydrogelmatrisen är full av tomma utrymmen som gör att kiselnanopartiklarna kan expandera när litium sätts in. Denna matris bildar också ett tredimensionellt nätverk som skapar en elektroniskt ledande väg under laddning och urladdning.
"Det visar sig att hydrogel har bindningsställen som fäster på kiselpartiklar riktigt bra och som samtidigt ger kanaler för snabb transport av elektroner och litiumjoner, " förklarade Cui, en huvudutredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences vid SLAC National Accelerator Laboratory. "Det är en mycket kraftfull kombination."
En enkel blandning av hydrogel och kisel visade sig vara mycket mindre effektiv än in situ-syntespolymerisationstekniken. "Att göra hydrogelen först och sedan blanda den med kiselpartiklarna fungerade inte bra, ", sa Bao. "Det krävde ytterligare ett steg som faktiskt minskade batteriets prestanda. Med vår teknik, varje nanopartikel av kisel är inkapslad i en ledande polymerytbeläggning och är ansluten till hydrogelramverket. Det förbättrar batteriets totala stabilitet."
Hydrogel består huvudsakligen av vatten, som kan få litiumjonbatterier att antändas – ett potentiellt problem som forskargruppen var tvungen att ta itu med. "Vi använde den tredimensionella nätverksegenskapen hos hydrogelen i elektroden, men i den sista produktionsfasen, vattnet togs bort, " sa Bao. "Du vill inte ha vatten inuti ett litiumjonbatteri."
Även om ett antal tekniska problem kvarstår, Cui är optimistisk om potentiella kommersiella tillämpningar av den nya tekniken för att skapa elektroder gjorda av kisel och andra material.
"Elektrodtillverkningsprocessen som används i studien är kompatibel med befintlig batteritillverkningsteknik, " sade han. "Kisel och hydrogel är också billiga och allmänt tillgängliga. Dessa faktorer kan göra det möjligt att skala upp högpresterande kiselkompositelektroder för tillverkning av nästa generations litiumjonbatterier. Det är ett väldigt enkelt tillvägagångssätt som har lett till ett mycket kraftfullt resultat."
