En forskargrupp ledd av Naoki Fukata, en ledare för Nanostructured Semiconducting Materials Group vid International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, och en forskargrupp vid Georgia Institute of Technology, USA, gemensamt utvecklat ett anodmaterial för uppladdningsbara litium(Li)-jonbatterier genom att bilda nanopartiklar gjorda av kisel(Si)-metallkompositer på metallsubstrat. Det resulterande anodmaterialet hade hög kapacitet - nästan dubbelt så hög som konventionella material - och en lång livslängd. Dessa resultat kommer att leda till utvecklingen av högre kapacitet, anodmaterial med längre livslängd för uppladdningsbara litiumjonbatterier.

För närvarande, kolbaserade material används som anoder för uppladdningsbara litiumjonbatterier, och deras kapacitet är upp till 370 mAh/g. I teorin, deras kapacitet kan ökas med mer än 10 gånger till 4, 200 mAh/g, förutsatt att rent Si används som anodmaterial. Dock, ren Si är mycket expanderbar, tre till fyra gånger i volym, under processen där Li-jonen införlivas i den. På grund av denna fastighet, rena kiselanodmaterial är benägna att spricka eftersom en stor mängd påfrestning påläggs dem under upprepade laddnings-urladdningscykler, och därför förkortar användningen av bulkrent Si som ett anodmaterial avsevärt batteriets livslängd. Följaktligen, ren Si hade inte använts förrän nyligen.

De gemensamma forskargrupperna bildade endimensionella germanium (Ge) nanotrådar på metallsubstrat och skapade sedan nanostrukturerade Si-metallkompositer med hjälp av nanotrådarna som basmateriallager. Det bildade nanostrukturerade materialet kännetecknas av många håligheter som finns inuti aggregerade nanopartiklar på ungefär flera tiotals nanometer till hundra nanometer. Det finns också större håligheter mellan Si-metallkompositerna och Ge nanostrukturerna (Fig. 1). En annan egenskap är att materialet består av inte bara rent Si utan även metallatomer (främst järn) som spontant tillförs från substratet via de underliggande Ge nanostrukturerna och inkorporeras i det växande Si-materialet, bildar kisel-metallkompositer.

Baserat på utvärderingar av laddningsurladdningsegenskaper hos tillverkade prover, forskargrupperna bekräftade att kapaciteten hos det nya anodmaterialet var ungefär dubbelt så stort som nuvarande anodmaterial, och dess livslängd förlängdes också jämfört med konventionella material.

Det nya materialet är kapabelt att öka både kapaciteten och livslängden för Li-ion laddningsbara batterianoder. Forskargrupperna uppnådde dessa egenskaper genom att skapa inre håligheter i materialet, som fungerar som buffertutrymme för att absorbera stress som genereras av expansionen av rent Si, och genom att reglera sammansättningen av Si och metallelement i den Si-baserade nanostrukturen.