Skanna elektronmikroskopbilder av (a) SiO2 nanofibrer efter torkning, (b) SiO2 nanofibrer under hög förstoring (c) kisel nanofibrer efter etsning, och (d) kiselnanofibrer under hög förstoring.
Forskare vid University of California, Riversides Bourns College of Engineering har utvecklat ett nytt pappersliknande material för litiumjonbatterier. Den har potential att öka med flera gånger den specifika energin, eller mängden energi som kan levereras per batterivikt.
Detta pappersliknande material är sammansatt av svampliknande kiselnanofibrer som är mer än 100 gånger tunnare än människohår. Den skulle kunna användas i batterier för elfordon och personlig elektronik.
Fynden publicerades just i en tidning, "Mot skalbara bindemedelslösa elektroder:kolbelagt silikonnanofiberpapper via Mg-reduktion av elektrospunnna SiO2-nanofibrer, "i tidningen Naturvetenskapliga rapporter . Författarna var Mihri Ozkan, professor i el- och datateknik, Cengiz S. Ozkan, professor i maskinteknik, och sex av deras doktorander:Zach Favors, Hamed Hosseini Bay, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed, Robert Ionescu och Rachel Ye.
Nanofibrerna tillverkades med en teknik som kallas elektrospinning, varvid 20, 000 till 40, 000 volt appliceras mellan en roterande trumma och ett munstycke, som avger en lösning som huvudsakligen består av tetraetylortosilikat (TEOS), en kemisk förening som ofta används i halvledarindustrin. Nanofibrerna exponeras sedan för magnesiumånga för att producera den svampliknande kiselfiberstrukturen.
Konventionellt producerade litiumjonbatterianoder tillverkas med kopparfolie belagd med en blandning av grafit, en ledande tillsats, och ett polymerbindemedel. Men, eftersom prestandan hos grafit nästan har tappats ut, forskare experimenterar med andra material, som kisel, som har en specifik kapacitet, eller elektrisk laddning per batterivikt, nästan 10 gånger högre än grafit.
(a) Schematisk representation av elektrospinningsprocessen och efterföljande reduktionsprocess. Digitala fotografier av (b) as-spunnet SiO2 nanofiberpapper, (c) etsat nanofiberpapper av kisel, och (d) kolbelagt kiselnanofiberpapper som används i litiumjonhalvcellskonfigurationen.
Problemet med kisel är att det lider av betydande volymexpansion, vilket snabbt kan försämra batteriet. Kiselnanofiberstrukturen som skapats i Ozkans labb kringgår detta problem och gör att batteriet kan cyklas hundratals gånger utan betydande försämring.
"Att eliminera behovet av metallströmavtagare och inaktiva polymerbindemedel samtidigt som man byter till ett energitätt material som kisel kommer att avsevärt öka räckvidden för elfordon, "Favors sa.
Denna teknik löser också ett problem som har plågat fristående, eller utan bindemedel, elektroder i flera år:skalbarhet. Fristående material som odlas med kemisk ångavsättning, som kolnanorör eller nanotrådar av kisel, kan endast tillverkas i mycket små mängder (mikrogram). Dock, Favors kunde producera flera gram kiselnanofibrer åt gången även i labbskala.
Forskarnas framtida arbete innebär att implementera kiselnanofibrerna i ett litiumjonbatteri i påsecellformat, vilket är ett större batteriformat som kan användas i elbilar och bärbar elektronik.
