Att driva en bil så att den kan resa hundratals mil åt gången, Framtidens litiumjonbatterier kommer att behöva hålla mer energi utan att bli för stora i storlek.

Det är ett av dilemman som ställs inför ansträngningarna att driva bilar med hjälp av laddningsbara batterier. För att hålla tillräckligt med energi för att möjliggöra en bilresa på 300-500 miles innan omladdning, nuvarande litiumjonbatterier blir för stora eller för dyra.

I sökandet efter "post-litium-jon"-batteriet, Docent i kemi Dunwei Wang har utvecklat material som en dag kan möjliggöra tillverkning av nya batterier som kan möta strömbehov inom biltillverkarnas och andra industriers storlek och kostnadsbegränsningar.

I en färsk rapport publicerad i den tyska tidskriften Angewandt Chemie , Wang och en kollega från University of Massachusetts Amherst avslöjade en ny metod för att stabilisera kol - en central strukturell komponent i alla batterier - som kan bana väg för nya prestandastandarder i jakten på en litiumjonkomponent.

Centralt i sökandet efter förbättrad prestanda är förmågan att minska vikten och kostsamma kemiska komponenter. Forskare som söker ett "litium-luft"-batteri har fokuserat på en kemisk reaktion av litium och syre, som kan dras ur luften. Men materialen som används för att generera denna reaktion har visat dåliga livscykler, varar genom bara några få avgifter.

Den skyldige, sa Wang, är kolets instabilitet, ett viktigt strukturellt stöd för ett batteris elektrod, en konduktör där laddningar samlas och matas ut.

"Kol används i varje batteri eftersom det har den kombinationen av låg kostnad, lätt vikt och konduktivitet, " sa Wang. "Du kan inte bara skrota den."

Så Wang och UMass biträdande professor i kemiteknik Wei Fan började arbeta med att förbättra prestandaförmågan hos en nykonstruerad form av kol tillverkad av Fan. Det kallas tredimensionellt ordnat mesoporöst (3DOm) kol och forskare värdesätter det för dess mycket ordnade struktur.

Genom att använda en teknik som kallas atomlagerdeposition (ALD), forskarna odlade en tunn beläggning av järnoxid på kolet, ett steg som förbättrade reaktiviteten mellan litium och syre och förbättrade prestanda på laddningscykeln. Nästa, de använde ALD för att applicera en beläggning av palladiumnanopartiklar, vilket effektivt minskade kolets försämringsreaktion med syre och förbättrade urladdningscykeln.

Deras första tester på materialet visade markant förbättring av prestanda.

"Vi visade att en viss form av kol kan användas för att stödja en ny typ av kemi som möjliggör energilagring med löfte om fem till tio gånger mer energitäthet än de senaste litiumjonbatterier vi ser idag , ", sa Wang. "Vi ser detta som en avsevärd förbättring av batteriets cyklbarhet, vilket är en nyckelfråga."

Wang sa att resultaten visar att 3DOm kol kan uppfylla nya prestandastandarder när det är stabiliserat.

"Den nyckelinnovation vi gör här är att 3DOm kol är stabilt - vi har stabiliserat något som tidigare inte var stabilt, " sa Wang.