Forskare har utvecklat ett litiumjonbatteri tillverkat av sand som överträffar nuvarande standard med tre gånger. Kredit:UC Riverside
(Phys.org) —Forskare vid University of California, Riversides Bourns College of Engineering har skapat ett litiumjonbatteri som överträffar nuvarande industristandard med tre gånger. Nyckelmaterialet:sand. Ja, sand.
"Detta är den heliga graalen - en låg kostnad, giftfri, miljövänligt sätt att producera högpresterande litiumjonbatterianoder, " sa Zachary Favors, en doktorand som arbetar med Cengiz och Mihri Ozkan, båda ingenjörsprofessorer vid UC Riverside.
Idén kom till Favors för ett halvår sedan. Han kopplade av på stranden efter att ha surfat i San Clemente, Kalifornien när han plockade upp lite sand, tog en närmare titt på den och såg att den huvudsakligen bestod av kvarts, eller kiseldioxid.
Hans forskning är inriktad på att bygga bättre litiumjonbatterier, främst för personlig elektronik och elfordon. Han är fokuserad på anoden, eller negativ sida av batteriet. Grafit är det nuvarande standardmaterialet för anoden, men i takt med att elektroniken har blivit kraftfullare har grafitens förmåga att förbättras praktiskt taget tappats ut.
Forskare är nu fokuserade på att använda kisel i nanoskala, eller miljarddels meter, nivå som ersättning för grafit. Problemet med kisel i nanoskala är att det bryts ned snabbt och är svårt att producera i stora mängder.
En schematisk bild som visar hur sand förvandlas till rent nanokisel. Kredit:UC Riverside
Favörs avsåg att lösa båda dessa problem. Han undersökte sand för att hitta en plats i USA där den finns med en hög andel kvarts. Det tog honom till Cedar Creek Reservoir, öster om Dallas, där han växte upp.
Sand i handen, han kom tillbaka till labbet vid UC Riverside och fräste ner det till nanometerskalan, följt av en serie reningssteg som ändrar dess färg från brunt till ljust vitt, liknar strösocker till färg och konsistens.
Efter det, han malde salt och magnesium, båda mycket vanliga grundämnen som finns lösta i havsvatten till den renade kvartsen. Det resulterande pulvret upphettades sedan. Med saltet som en värmeabsorbent, magnesiumet arbetade för att avlägsna syret från kvartsen, vilket resulterar i rent kisel.
Ozkan-teamet var nöjda med hur processen gick. Och de mötte också en extra positiv överraskning. Den rena nano-kiseln bildas i en mycket porös 3-D silikon svampliknande konsistens. Den porositeten har visat sig vara nyckeln till att förbättra prestandan hos de batterier som byggts med nano-kisel.
Från vänster, b) orenad sand, c) renad sand, och (d) injektionsflaskor med orenad sand, renad sand, och nanokisel. Kredit:UC Riverside
Den förbättrade prestandan kan innebära att den förväntade livslängden för kiselbaserade elfordonsbatterier utökas upp till 3 gånger eller mer, vilket skulle vara betydelsefullt för konsumenterna, med tanke på att byta batterier kostar tusentals dollar. För mobiltelefoner eller surfplattor, det kan innebära att behöva ladda var tredje dag, istället för varje dag.
Fynden publicerades just i en tidning, "Skalbar syntes av nano-kisel från strandsand för Li-ion-batterier med lång livslängd, " i tidskriften Nature Vetenskapliga rapporter . Förutom Favors and the Ozkan's, författare var:Wei Wang, Hamed Hosseini Bay, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed och Chueh Liu. Alla fem är doktorander som arbetar i Ozkans labb.
Nu, Ozkan-teamet försöker producera större mängder av strandsanden av nanokisel och planerar att gå från myntstorleksbatterier till batterier i fickstorlek som används i mobiltelefoner.
