Elfordon kan resa längre när de drivs av ett litiumjonbatteri med högre kapacitet tillverkad med billiga järnoxid-nanopartiklar. Upphovsman:iStock/Thinkstock
Batteridrivna bilar erbjuder många miljöfördelar, men en bil med full bensintank kan resa längre. Genom att förbättra litiumjonbatteriernas energikapacitet, en ny elektrod av nanopartiklar av järnoxid kan hjälpa elfordon att täcka större avstånd.
Utvecklad av Zhaolin Liu från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapore, och Aishui Yu från Fudan University, Kina, och medarbetare, elektrodmaterialet är billigt, lämplig för storskalig tillverkning och kan lagra högre laddningstäthet än de konventionella elektroderna som används i litiumjonbatterier.
Dessa batterier lagrar och frigör energi genom att skjuta litiumjoner mellan två elektroder som är anslutna i en krets. Under laddning, litiumjoner flyr från katoden, som är tillverkad av material som litiumkoboltoxid. Jonerna migrerar genom en flytande elektrolyt och in i anoden, som vanligtvis är gjord av grafit fylld med små porer. När batteriet laddas ur, processen går omvänt, generera en elektrisk ström mellan elektroderna.
Järnoxider har en mycket högre laddningskapacitet än grafit, men processen är långsam. Att tvinga in litiumjoner i materialet ändrar också dess volym, förstör anoden efter bara några laddningscykler.
Liu, Yu och team resonerade att en anod tillverkad av nanopartiklar av järnoxid skulle laddas snabbare, eftersom dess porer skulle ge snabb tillgång till litiumjoner. Porerna kan också tillåta att materialets struktur förändras när jonerna packas inuti.
Forskarna tillverkade 5-nanometer-breda partiklar av en järnoxid som kallas α-Fe 2 O 3 , helt enkelt genom att värma järnnitrat i vatten. De blandade partiklarna med ett damm som kallades kolsvart, band dem ihop med polyvinylidenfluorid och belagde blandningen på kopparfolie för att göra deras anoder.
Under den första omgången med laddning och urladdning, anoderna visade en verkningsgrad på 75–78%, beroende på strömtätheten som används. Efter tio cykler till, dock, effektiviteten förbättrades till 98%, nästan lika hög som kommersiella litiumjonbatterier. Forskning från andra team tyder på att under de första cyklerna, järnoxid -nanopartiklarna bryts ner tills de når en optimal storlek.
Efter 230 cykler förblev anodens effektivitet 97%, med en kapacitet på 1, 009 milliamp timmar per gram (mA h g −1 ) - nästan tre gånger större än kommersiella grafitanoder. Materialet upplevde inga av de nedbrytningsproblem som har plågat andra järnoxidanoder.
Teamet arbetar nu med att optimera nanopartikelsyntesen och öka effektiviteten i anodens första laddningscykler.
