När enheterna blir mindre och kraftfullare, de kräver snabbare, mindre, stabilare batterier. Kemister från University of Illinois har utvecklat en superjonisk fast substans som kan vara grunden för nästa generations litiumjonbatterier.

Kemiprofessorn Prashant Jain och doktoranderna Sarah White och Progna Banerjee beskrev materialet - ultrasmå nanokluster av kopparselenid - i tidskriften Naturkommunikation .

"Nu när vi ser den här nanoelektroniken boom, vi behöver små batterier som kan sättas på ett chip, och det kan inte hända med flytande elektrolyter, "Sade Jain. "Vi använder nanostrukturerade material för att uppnå egenskaperna i hjärtat av litiumjonteknologi. De har mycket mer termisk och mekanisk stabilitet, det finns inga läckageproblem, och vi kan göra extremt tunna elektrolytskikt så att vi kan miniatyrisera batterier."

Standard litiumjonbatterier och andra jonbatterier är fyllda med en flytande elektrolyt som litiumjonerna rör sig genom. Jonerna flödar en riktning när batteriet används, och i motsatt riktning när batteriet är laddat. Dock, flytande elektrolyter har flera nackdelar:De kräver volym, försämras när batteriet cyklar, läcker och är mycket brandfarliga, vilket har lett till explosioner i telefoner, bärbara datorer och andra enheter. Fasta elektrolyter är betydligt mer stabila, joner rör sig genom dem mycket långsammare, vilket gör dem mindre effektiva för batteriapplikationer.

Kopparselenid-nanoklusterelektrolyten kombinerar det bästa av både flytande och fasta elektrolyter:Den har stabiliteten av en fast, men joner rör sig lätt genom den som en vätska. Kopparselenid är känt för att vara superioniskt vid höga temperaturer, men de små nanoklustren är den första demonstrationen av att materialet är superioniskt vid rumstemperatur.

Forskarna upptäckte denna superioniska egenskap av en slump när de undersökte kopparselenids ytreaktivitet. De märkte att ultrasmå nanokluster - cirka 2 nanometer i diameter - såg väldigt annorlunda ut från större kopparselenidnanopartiklar i ett elektronmikroskop.

"Det var vår första antydan om att de har olika strukturer, " sa Jain. "Vi undersökte vidare, och vi insåg att dessa små kluster faktiskt är halvflytande vid rumstemperatur."

Anledningen till den halvflytande, superionisk egenskap är den speciella strukturen hos nanoklustren, sa Jain. De mycket större selenjonerna bildar ett kristallgitter, medan de mindre kopparjonerna rör sig runt dem som en vätska. Denna kristallstruktur är ett resultat av inre spänningar i klustren.

"Med cirka 100 atomer, dessa nanokluster är precis vid gränsytan mellan molekyler och nanopartiklar, " Sade Jain. "Just nu, den stora kraften är att göra varje nanopartikel i ett prov exakt samma storlek och form. Det visar sig med dessa kluster, varje enskilt kluster är exakt samma struktur. På något sätt, i denna storlek, den elektroniska strukturen av materialet är så stabil att varje enskild kluster har samma arrangemang av atomer."

Forskarna arbetar med att integrera nanoklustren i ett batteri, mäta konduktiviteten hos litiumjoner och jämföra prestandan med befintliga fasta elektrolyter och flytande elektrolyter.