(Phys.org) – Forskare vid Rice University har kommit på ett nytt sätt att öka effektiviteten hos det allestädes närvarande litiumjonbatteriet (LI) genom att använda band av grafen som börjar som kolnanorör.

Proof-of-concept-anoder – den del av batteriet som lagrar litiumjoner – byggda med grafennanorband (GNR) och tennoxid visade en initial kapacitet bättre än den teoretiska kapaciteten för enbart tennoxid, enligt Rice kemisten James Tour. Efter 50 laddnings-urladdningscykler, testenheterna behöll en kapacitet som fortfarande var mer än dubbelt så stor som den grafit som för närvarande används för LI-batterianoder.

Forskningen publicerades denna vecka i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

Bättre batterier önskas starkt av alla som bär en mobiltelefon eller dator eller kör en elbil. Rice-teamet ser potentialen för GNR:er att bidra till deras utveckling.

Tour och hans kollegor utvecklade en metod för att packa upp nanorör till GNR, avslöjades i en omslagsartikel från 2009 i Nature. Sedan dess, forskarna har kommit fram till hur man gör grafen -nanoribon i bulk och går mot kommersiella applikationer. Ett område som är mogen för förbättring är det ödmjuka batteriet. I en allt mer mobil värld, batterikapacitet håller på att bli en flaskhals som i allmänhet begränsar enheter till mindre än en dags användning.

I de nya experimenten, rislabbet blandade grafen nanoband och tennoxidpartiklar cirka 10 nanometer breda i en slurry med ett cellulosagummibindemedel och lite vatten, bred det ut på en strömkollektor och inneslutet i ett knappliknande batteri. GNR är en enda atom tjock och tusentals gånger längre än den är bred. GNR:erna separerar och stöder inte bara tennoxiden utan hjälper också till att leverera litiumjoner till nanopartiklarna.

Laboratorietester visade initial laddningskapacitet på mer än 1, 520 milliampere timmar per gram (mAh/g). Över upprepade laddnings-urladdningscykler, materialet sedimenterade till en fast 825 mAh/g. "Det tog ungefär två månader att gå igenom 50 cykler, " sa huvudförfattaren Jian Lin, en postdoktor vid Rice, som tror att det skulle kunna hantera många fler utan att förlora betydande kapacitet.

GNR kan också hjälpa till att övervinna en svårighet med LI -batteriutveckling. Litiumjoner tenderar att expandera materialet de bor i, och materialet drar ihop sig när de dras bort. Över tid, material som kisel, som visar extraordinär kapacitet för litium, bryts ner och förlorar sin förmåga att lagra joner. Andra labb på Rice har gjort genombrott som hjälper till att lösa expansionsproblemet genom att bryta behandlat kisel till ett pulver, uppnå stor kapacitet och många cykler.

GNR tar ett annat tillvägagångssätt genom att ge batterierna en viss flexibilitet, sa Tour. "Graphene nanoribbons skapar ett fantastiskt ramverk som håller tennoxid -nanopartiklarna spridda och hindrar dem från att fragmenteras under cykling, ", sade han. "Eftersom tennoxidpartiklarna bara är några få nanometer stora och tillåts förbli så genom att de sprids på GNR-ytor, volymförändringarna i nanopartiklarna är inte dramatiska. GNR ger också en lätt, ledande ramverk, med sina höga bildförhållanden och extrema tunnhet."

Forskarna påpekade att arbetet är en "utgångspunkt för att utforska kompositerna gjorda av GNR och andra övergångsmetalloxider för litiumlagringstillämpningar." Lin sa att labbet planerar att bygga batterier med andra metalliska nanopartiklar för att testa deras cykel- och lagringskapacitet.