Forskare vid Queen Mary University of London, University of Cambridge och Max Planck Institute for Solid State Research har upptäckt hur en nypa salt kan användas för att drastiskt förbättra batteriets prestanda.

De fann att tillsats av salt på insidan av en supermolekylär svamp och sedan bakning av den vid hög temperatur förvandlade svampen till en kolbaserad struktur.

Förvånande, saltet reagerade med svampen på speciella sätt och förvandlade det från en homogen massa till en invecklad struktur med fibrer, fjäderben, pelare och banor. Denna typ av 3D-hierarkiskt organiserad kolstruktur har visat sig vara mycket svår att växa i ett laboratorium men är avgörande för att ge obegränsad jontransport till aktiva platser i ett batteri.

I studien, publicerad i JACS ( Journal of the American Chemical Society ), forskarna visar att användningen av dessa material i litiumjonbatterier inte bara gör att batterierna kan laddas upp snabbt, men också med en av de högsta kapaciteterna.

På grund av sin invecklade arkitektur har forskarna benämnt dessa strukturer 'nano-diatomer', och tror att de också kan användas för energilagring och konvertering, till exempel som elektrokatalysatorer för väteproduktion.

Huvudförfattare och projektledare Dr Stoyan Smoukov, från Queen Mary's School of Engineering and Materials Science, sade:"Denna metamorfos händer bara när vi värmer föreningarna till 800 grader Celsius och var lika oväntade som att kläcka eldfödda drakar istället för att få bakade ägg i Game of Thrones. Det är mycket tillfredsställande att efter den första överraskningen, Vi har också upptäckt hur man kan styra transformationerna med kemisk sammansättning. "

Kol, inklusive grafen och kolnanorör, är en familj av de mest mångsidiga materialen i naturen, används i katalys och elektronik på grund av dess konduktivitet och kemiska och termiska stabilitet.

3D-kolbaserade nanostrukturer med flera hierarkiska nivåer kan inte bara behålla användbara fysiska egenskaper som bra elektronisk konduktivitet utan kan också ha unika egenskaper. Dessa 3D-kolbaserade material kan uppvisa förbättrad vätbarhet (för att underlätta joninfiltration), hög hållfasthet per vikt, och riktningsvägar för vätsketransport.

Det är, dock, mycket utmanande att skapa kolbaserade hierarkiska strukturer på flera nivåer, särskilt via enkla kemiska vägar, men dessa strukturer skulle vara användbara om sådana material ska tillverkas i stora mängder för industrin.

Den supermolekylära svampen som används i studien är också känd som ett metallorganiskt ramverk (MOF) -material. Dessa MOF är attraktiva, molekylärt utformade porösa material med många lovande tillämpningar såsom gaslagring och separation. Behållandet av hög yta efter kolsyrning - eller bakning vid hög temperatur - gör dem intressanta som elektrodmaterial för batterier. Dock, hittills har kolsyrande MOF:er bevarat strukturen hos de initiala partiklarna som i ett tätt kolskum. Genom att tillsätta salter till dessa MOF -svampar och kolsyra dem, forskarna upptäckte en serie kolbaserade material med flera nivåer av hierarki.

Dr R. Vasant Kumar, en medarbetare vid studien från University of Cambridge, kommenterade:"Detta arbete driver användningen av MOF till en ny nivå. Strategin för att strukturera kolmaterial kan vara viktig inte bara för energilagring utan också för energiomvandling, och känner. "

Huvud författare, Tiesheng Wang (王铁胜), från University of Cambridge, sade:"Potentiellt, vi kan designa nanodiatomer med önskade strukturer och aktiva platser som ingår i kolet eftersom det finns tusentals MOF och salter för oss att välja. "