Vanderbilt doktorand Anna Douglas håller i ett av batterierna som hon har modifierat genom att lägga till miljontals kvantprickar gjorda av järnkis, kattguld. Kredit:John Russell, Vanderbilt University
Om du lägger till kvantprickar - nanokristaller 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår - till ett smartphonebatteri laddas det på 30 sekunder, men effekten varar bara under några laddningscykler.
Dock, en grupp forskare vid Vanderbilt University rapporterar i numret av tidskriften den 11 november ACS Nano att de har hittat ett sätt att övervinna detta problem:Att göra kvantprickarna av järnkis, allmänt känt som dårens guld, kan producera batterier som laddas snabbt och fungerar i dussintals cykler.
Forskargruppen ledd av biträdande professor i maskinteknik Cary Pint och ledd av doktoranden Anna Douglas blev intresserade av järnkis eftersom det är ett av de vanligaste materialen på jordens yta. Det produceras i råform som en biprodukt av kolproduktion och är så billigt att det används i litiumbatterier som köps i butik och slängs efter en enda användning.
Trots alla deras löften, forskare har haft problem med att få tag i nanopartiklar för att förbättra batteriets prestanda.
"Forskare har visat att material i nanoskala avsevärt kan förbättra batterier, men det finns en gräns, " sa Pint. "När partiklarna blir väldigt små, betyder generellt under 10 nanometer (40 till 50 atomer breda), nanopartiklarna börjar kemiskt reagera med elektrolyterna och kan därför bara laddas och laddas ur några gånger. Så denna storleksordning är förbjuden i kommersiella litiumjonbatterier."
En transmissionselektronmikroskopbild av en enda kvantprick av järnkis till vänster och en graf som visar storleksfördelningen av dårens guldkvantprickar som de lade till standardlitiumbatterier. Kredit:Pint Lab, Vanderbilt University
Med hjälp av Douglas expertis i att syntetisera nanopartiklar, teamet satte sig för att utforska denna "ultra lilla" regim. De gjorde det genom att lägga till miljontals kvantprickar av järnkis av olika storlekar till standardlitiumknappsbatterier som de som används för att driva klockor, bilnyckelfjärrkontroller och LED-fickor. De fick mest valuta för pengarna när de lade till ultrasmå nanokristaller som var cirka 4,5 nanometer stora. Dessa förbättrade avsevärt både batteriernas cykling och hastighetskapacitet.
Forskarna upptäckte att de fick detta resultat eftersom järnkis har ett unikt sätt att ändra form till ett järn och en litium-svavelförening (eller natriumsvavel) för att lagra energi. "Detta är en annan mekanism än hur kommersiella litiumjonbatterier lagrar laddning, där litium förs in i ett material under laddning och extraheras under urladdning - samtidigt som materialet som lagrar litiumet lämnas oförändrat, " förklarade Douglas.
Enligt Pint, "Du kan tänka på det som vaniljkaka. Att lagra litium eller natrium i konventionella batterimaterial är som att trycka in chokladbitar i kakan och sedan dra ut de intakta chipsen igen. Med de intressanta materialen vi studerar, du lägger chokladbitar i vaniljkaka och det förvandlas till en chokladkaka med vaniljchips."
Som ett resultat, reglerna som förbjuder användning av ultrasmå nanopartiklar i batterier gäller inte längre. Faktiskt, vågen tippas till förmån för mycket små nanopartiklar.
"Istället för att bara infoga litium- eller natriumjoner i eller ut ur nanopartiklarna, lagring i järnkis kräver även diffusion av järnatomer. Tyvärr, järn diffunderar långsamt, kräver att storleken är mindre än järndiffusionslängden - något som bara är möjligt med ultrasmå nanopartiklar, " förklarade Douglas.
En viktig observation av teamets studie var att dessa ultrasmå nanopartiklar är utrustade med dimensioner som gör att järnet kan flytta till ytan medan natrium eller litium reagerar med svavlet i järnkis. De visade att detta inte är fallet för större partiklar, där järnets oförmåga att röra sig genom järnkismaterialen begränsar deras lagringsförmåga.
Pint tror att förståelse för kemiska lagringsmekanismer och hur de beror på dimensioner i nanoskala är avgörande för att möjliggöra utvecklingen av batteriprestanda i en takt som står upp mot Moores lag och kan stödja övergången till elfordon.
"Morgondagens batterier som kan laddas på några sekunder och laddas ur på dagar kommer inte bara att använda nanoteknik, de kommer att dra nytta av utvecklingen av nya verktyg som gör det möjligt för oss att designa nanostrukturer som kan stå emot tiotusentals cykler och har en energilagringskapacitet som konkurrerar med bensin, " sa Pint. "Vår forskning är ett stort steg i den här riktningen."
