En pappersliknande batterielektrod som utvecklats av en ingenjör från Kansas State University kan förbättra verktyg för utforskning av rymden eller obemannade flygbilar.

Gurpreet Singh, docent i maskin- och kärnteknik, och hans forskargrupp skapade batterielektroden med hjälp av kiseloxikarbidglas och grafen.

Batterielektroden har alla rätt egenskaper. Det är mer än 10 procent lättare än andra batterielektroder. Den har nära till 100 procent cykeleffektivitet för mer än 1000 laddningsurladdningscykler. Den är tillverkad av billiga material som är biprodukter från silikonindustrin. Och den fungerar vid temperaturer så låga som minus 15 grader C, vilket ger den många antenn- och rymdapplikationer.

Forskningen visas i Naturkommunikation artikel "Kiseloxikarbidglas-grafenkompositpapperelektrod för litiumjonbatterier med lång cykel."

Singhs forskargrupp har undersökt nya materialkombinationer för batterier och elektroddesign. Det har varit svårt att införliva grafen och kisel i praktiska batterier på grund av utmaningar som uppstår vid höga massbelastningar - till exempel låg kapacitet per volym, dålig cykeleffektivitet och kemisk-mekanisk instabilitet.

Singhs team har hanterat dessa utmaningar genom att tillverka en självbärande och redo att gå-elektrod som består av en glasartad keramik som kallas kiseloxikarbid inklämt mellan stora trombocyter av kemiskt modifierad grafen, eller CMG. Elektroden har en hög kapacitet på cirka 600 miliampere-timmar per gram-400 miliampere-timmar per kubikcentimeter-som härrör från kiseloxikarbid. Den pappersliknande designen är gjord av 20 procent kemiskt modifierade grafenplättar.

"Den pappersliknande designen skiljer sig markant från elektroderna som används i dagens batterier eftersom den eliminerar metallfoliestödet och polymert lim - som båda inte bidrar till batteriets kapacitet, "Sa Singh.

Designen som Singhs team utvecklade sparade cirka 10 procent av cellens totala vikt. Resultatet är en lätt elektrod som kan lagra litiumjon och elektroner med nära 100 procent cykeleffektivitet i mer än 1000 laddningsurladdningscykler. Den viktigaste aspekten är att materialet kan visa sådan prestanda på praktiska nivåer, Sa Singh.

Papperselektrodcellerna kan också leverera en kapacitet på 200 miliampere-timme per gram även om de hålls vid minus 15 grader C i ungefär en månad, vilket är ganska anmärkningsvärt med tanke på att de flesta batterier inte fungerar vid så låga temperaturer, Sa Singh.

"Detta tyder på att laddningsbara batterier från kiselglas- och grafenelektroder också kan vara lämpliga för obemannade flygbilar som flyger på stora höjder, eller kanske till och med rymdapplikationer, "Sa Singh.

Själva kiseloxikarbidmaterialet är ganska speciellt, Sa Singh. Det framställs genom att värma ett flytande harts till den punkt där det sönderdelas och omvandlas till vassa glasliknande partiklar. Kislet, kol- och syreatomer omarrangeras till slumpmässig 3D-struktur och eventuellt överskott av kol fälls ut i cellområden. En sådan öppen 3D-struktur skapar stora platser för reversibel litiumlagring och släta kanaler för litiumjonstransport. Denna struktur och mekanism för litiumlagring skiljer sig från kristallina kiselelektroder. Kiseloxikarbidelektroder förväntas vara billiga eftersom råvaran - flytande harts - är en biprodukt från silikonindustrin.

Går vidare, Singh och hans team vill ta itu med praktiska utmaningar. Singhs mål är att producera detta elektrodmaterial vid ännu större dimensioner. Till exempel, dagens penna-cellbatterier använder grafitbelagda kopparfolieelektroder som är mer än en fot långa. Teamet skulle också vilja utföra mekaniska böjningstester för att se hur de påverkar prestandaparametrar.

"I sista hand, vi skulle vilja arbeta med industrin för att utforska produktionen av litiumjonbatterier med fullceller, "Singh sa." Kiseloxikarbid kan också framställas genom 3D-tryckning, vilket är ett annat intresseområde för oss. "