Litium-syrebatterier är innovativa enheter som genererar ström från atmosfäriskt syre instängt i porösa, kolbaserade elektroder. Dessa batterier är betydligt lättare än traditionella litiumjonbatterier, och därmed har potential att utöka körräckvidden för el- och hybridfordon. Dock, många praktiska utmaningar kvarstår för litium-syrebatterier, mest anmärkningsvärt är uppbyggnaden av olösliga litiumperoxidbiprodukter i kolelektroden, vilket kan göra att batteriet slutar fungera efter bara några laddningscykler.

Nu, Zhaolin Liu från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore, i samarbete med Aishui Yu och medarbetare från Fudan University i Kina, har utvecklat en kolnanorörselektrod som kan lindra laddningsproblem i litium-syrebatterier, tack vare ett stöd tillverkat av tredimensionellt nickelskum1.

I tidigare ansträngningar för att förbättra prestanda hos litium-syrebatterier, forskare undersökte många typer av permeabla kolelektroder - inklusive träkol med stor yta, grafen och porösa aerogeler. Sådana tillvägagångssätt, dock, lita på limliknande bindemedel för att hålla ihop kolpartiklarna. Dessa bindemedel minskar syrediffusionshastigheten genom elektroden och kan försämras och täppa till porutrymmen.

Liu och medarbetare satte sig för att designa en bindemedelsfri elektrod genom att övergå till nickelskum, ett billigt ämne med en porös tredimensionell struktur som gör den både styv och lätt. För att säkerställa skummets kompatibilitet med litium-syrebatterier, laget odlade kolnanorör dopade med små mängder kväve direkt på dess yta. Kvävedopade kol-nanorörelektroder har visat sig ha katalytisk aktivitet som ökar batterilivslängden, och teamet förutsåg att de kunde skapa förbättrade enheter genom att stödja dessa nanomaterial med nickelskum.

Med hjälp av kemisk ångavsättning, forskarna kunde täcka nickelskummet med lager av dopade kolnanorör arrangerade i typiska bambuliknande strukturer. Dessa nanorör var löst packade och bidrog till ett nätverk av stora, sammankopplade tunnlar genom hela skummet. Enligt Liu, dessa tunnlar underlättar syrediffusion och ger kritiska tomrum där litiumperoxid kan avsättas utan att begränsa batteriets prestanda.

När de mätte prestandan för sin bindemedelsfria elektrod, teamet fann att det kunde leverera dubbelt så mycket elektrisk kapacitet som en ren-kvävedopad kol-nanorörelektrod. Liu noterar att den starka elektriska kontakten mellan nanorören och nickelstödet undertrycker volymexpansion och begränsar polarisationseffekterna som hindrar batteriladdningen. "Nästa steg blir att applicera dessa elektroder i riktiga litium-syrebatterier, " han säger.