Nyckeln till bättre mobiltelefoner och annan laddningsbar elektronik kan vara i små "smörgåsar" gjorda av nanoskikt, enligt maskinteknisk forskning från Kansas State University.

Gurpreet Singh, biträdande professor i maskin- och kärnteknik, och hans forskargrupp förbättrar laddningsbara litiumjonbatterier. Teamet har fokuserat på litiumcykling av molybdendisulfid, eller MoS2, ark, som Singh beskriver som en "smörgås" av en molybdenatom mellan två svavelatomer.

I den senaste forskningen, teamet har funnit att kiselkarbonitrid-inslagna molybden-disulfidark visar förbättrad stabilitet som en batterielektrod med liten kapacitet blekning.

Fynden visas i Nature's Vetenskapliga rapporter i artikeln "Polymer-derived Ceramic Functionalized MoS2Composite Paper as a stabil Lithium-Ion Battery Electrode." Andra inblandade forskare från Kansas State University inkluderar Lamuel David, doktorand i maskinteknik, Indien; Uriel Barrera, senior inom maskinteknik, Olathe; och Romil Bhandavat, 2013 doktorsexamen i maskinteknik.

I denna senaste publikation, Singhs team observerade att molybdendisulfidskivor lagrar mer än dubbelt så mycket litium - eller laddning - än molybdendisulfid i bulk som rapporterats i tidigare studier. Forskarna fann också att den höga litiumkapaciteten hos dessa ark inte varar länge och sjunker efter fem laddningscykler.

"Denna typ av beteende liknar en litium-svavel typ av batteri, som använder svavel som en av sina elektroder, "Singh sa." Svavel är ökänt känt för att bilda mellanliggande polysulfider som löses upp i den organiska elektrolyten i batteriet, vilket leder till att kapaciteten försvinner. Vi tror att kapacitetsminskningen i molybden -disulfidark också beror på förlust av svavel i elektrolyten. "

För att minska upplösningen av svavelbaserade produkter i elektrolyten, forskarna lindade in molybdendisulfidskivorna med några lager av en keramik som kallas kiselkarbonitrid, eller SiCN. Keramiken är en hög temperatur, glasartat material framställt genom att värma flytande kiselbaserade polymerer och har mycket högre kemisk beständighet mot den flytande elektrolyten, sa Singh.

"De kiselkarbonitrid-omslagna molybdendisulfidarken visar stabil cykling av litiumjoner oavsett om batterielektroden är på kopparfolie-traditionell metod eller som ett självbärande flexibelt papper som i böjbara batterier, "Sa Singh.

Efter reaktionerna, forskargruppen monterade också upp och observerade cellerna under elektronmikroskopet, vilket gav bevis för att kiselkarbonitriden skyddade mot mekanisk och kemisk nedbrytning med flytande organisk elektrolyt.

Singh och hans team vill nu bättre förstå hur molybdendisulfidcellerna kan bete sig i en vardaglig elektronisk enhet - som en mobiltelefon - som laddas hundratals gånger. Forskarna kommer att fortsätta testa molybden -disulfidcellerna under laddningscykler för att få mer data att analysera och för att bättre förstå hur man kan förbättra laddningsbara batterier.

Annan forskning från Singhs team kan hjälpa till att förbättra högtemperaturbeläggningar för flyg- och försvarsindustrin. Ingenjörerna utvecklar ett beläggningsmaterial för att skydda elektrodmaterial mot hårda förhållanden, såsom turbinblad och metaller som utsätts för intensiv värme.

Forskningen visas i Journal of Physical Chemistry. Forskarna visade att när kiselkarbonitrid och bornitrid nanosheets kombineras, de har hög temperaturstabilitet och förbättrad elektrisk konduktivitet. Dessutom, dessa nanoskivor av kiselkarbonitrid/bornitrid är bättre batterielektroder, sa Singh.

"Detta var ganska förvånande eftersom både kiselkarbonitrid och bornitrid är isolatorer och har liten reversibel kapacitet för litiumjoner, "Singh sa." Ytterligare analys visade att den elektriska konduktiviteten förbättrades på grund av bildandet av ett perkolationsnätverk av kolatomer som kallas "fritt kol" som finns i kiselkarbonitridkeramfasen. Detta inträffar endast när bornitridskivor tillsätts till kiselkarbonitridprekursorn i dess flytande polymerfas innan härdning uppnås."