Onderzoekers hebben een groep materialen geïdentificeerd die kunnen worden gebruikt om batterijen met een nog hoger vermogen te maken. De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, gebruikte materialen met een complexe kristalstructuur en ontdekte dat lithiumionen er doorheen bewegen met snelheden die veel hoger zijn dan die van typische elektrodematerialen, wat gelijk staat aan een veel sneller opladende batterij.

Hoewel deze materialen bekend als niobium wolfraamoxiden, resulteren niet in hogere energiedichtheden bij gebruik onder typische cyclussnelheden, ze komen goed tot hun recht voor snellaadtoepassingen. Aanvullend, hun fysieke structuur en chemisch gedrag geven onderzoekers een waardevol inzicht in hoe een veilige, supersnelle oplaadbatterij zou kunnen worden gebouwd, en suggereren dat de oplossing voor batterijen van de volgende generatie van onconventionele materialen kan komen. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur .

Veel van de technologieën die we elke dag gebruiken, worden kleiner, elk jaar sneller en goedkoper, met uitzondering van batterijen. Afgezien van de mogelijkheid van een smartphone die in enkele minuten volledig kan worden opgeladen, de uitdagingen die gepaard gaan met het maken van een betere batterij belemmeren de wijdverbreide toepassing van twee belangrijke schone technologieën:elektrische auto's en opslag op elektriciteitsnet voor zonne-energie.

"We zijn altijd op zoek naar materialen met hoge batterijprestaties, wat zou resulteren in een veel snellere lading en ook een hoog vermogen zou kunnen leveren, " zei dr. Kent Griffith, een postdoctoraal onderzoeker in Cambridge's Department of Chemistry en de eerste auteur van het artikel.

In hun eenvoudigste vorm, batterijen bestaan ​​uit drie componenten:een positieve elektrode, een negatieve elektrode en een elektrolyt. Wanneer een batterij wordt opgeladen, lithiumionen worden geëxtraheerd uit de positieve elektrode en bewegen door de kristalstructuur en elektrolyt naar de negatieve elektrode, waar ze zijn opgeslagen. Hoe sneller dit proces verloopt, hoe sneller de batterij kan worden opgeladen.

In de zoektocht naar nieuwe elektrodematerialen, onderzoekers proberen normaal gesproken de deeltjes kleiner te maken. "Het idee is dat als je de afstand die de lithiumionen moeten afleggen korter maakt, het zou u hogere snelheidsprestaties moeten geven, " zei Griffith. "Maar het is moeilijk om een ​​praktische batterij te maken met nanodeeltjes:je krijgt veel meer ongewenste chemische reacties met de elektrolyt, dus de batterij gaat niet zo lang mee, bovendien is het duur om te maken."

"Nanodeeltjes kunnen lastig te maken zijn, daarom zijn we op zoek naar materialen die inherent de eigenschappen hebben die we zoeken, zelfs als ze worden gebruikt als relatief grote deeltjes van micronformaat. Dit betekent dat u geen ingewikkeld proces hoeft te doorlopen om ze te maken, waardoor de kosten laag blijven, " zei professor Clare Grey, ook van de afdeling scheikunde en de senior auteur van het papier. "Nanodeeltjes zijn ook praktisch uitdagend om mee te werken, omdat ze nogal 'pluizig' zijn, dus het is moeilijk om ze stevig samen te pakken, wat de sleutel is voor de volumetrische energiedichtheid van een batterij."

De niobiumwolfraamoxiden die in het huidige werk worden gebruikt, hebben een stijve, open structuur die het ingebrachte lithium niet opsluit, en hebben grotere deeltjesgroottes dan veel andere elektrodematerialen. Griffith speculeert dat de reden dat deze materialen niet eerder aandacht hebben gekregen, verband houdt met hun complexe atomaire rangschikkingen. Echter, hij suggereert dat de structurele complexiteit en de samenstelling van de gemengde metalen juist de redenen zijn waarom de materialen unieke transporteigenschappen vertonen.

"Veel batterijmaterialen zijn gebaseerd op dezelfde twee of drie kristalstructuren, maar deze niobiumwolfraamoxiden zijn fundamenteel anders, " zei Griffith. De oxiden worden opengehouden door 'zuilen' van zuurstof, waardoor lithiumionen er in drie dimensies doorheen kunnen bewegen. "De zuurstofpijlers, of schaafvlakken, deze materialen stijver maken dan andere batterijverbindingen, zodat, plus hun open structuur betekent dat er meer lithiumionen doorheen kunnen bewegen, en veel sneller."

Met behulp van een techniek genaamd pulsed field gradiënt (PFG) nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, die niet gemakkelijk wordt toegepast op batterijelektrodematerialen, de onderzoekers maten de beweging van lithiumionen door de oxiden, en ontdekten dat ze bewogen met snelheden die enkele orden van grootte hoger waren dan die van typische elektrodematerialen.

De meeste negatieve elektroden in de huidige lithium-ionbatterijen zijn gemaakt van grafiet, die een hoge energiedichtheid heeft, maar tegen hoge tarieven, heeft de neiging om spichtige lithiummetaalvezels te vormen die bekend staan ​​als dendrieten, die kortsluiting kan veroorzaken en ervoor kan zorgen dat de batterijen vlam vatten en mogelijk exploderen.

"In toepassingen met hoge snelheid, veiligheid is een grotere zorg dan onder andere bedrijfsomstandigheden, "zei Grey. "Deze materialen, en mogelijk anderen vinden ze leuk, zou zeker de moeite waard zijn om naar te kijken voor snellaadtoepassingen waar je een veiliger alternatief voor grafiet nodig hebt."

Naast hun hoge lithiumtransportsnelheden, de niobiumwolfraamoxiden zijn ook eenvoudig te maken. "Veel van de nanodeeltjesstructuren nemen meerdere stappen om te synthetiseren, en je houdt maar een kleine hoeveelheid materiaal over, dus schaalbaarheid is een reëel probleem, "zei Griffith. "Maar deze oxiden zijn zo gemakkelijk te maken, en vereisen geen extra chemicaliën of oplosmiddelen."

Hoewel de oxiden uitstekende lithiumtransportsnelheden hebben, ze leiden tot een lagere celspanning dan sommige elektrodematerialen. Echter, de bedrijfsspanning is gunstig voor de veiligheid en de hoge lithiumtransportsnelheden zorgen ervoor dat bij snel fietsen, de praktische (bruikbare) energiedichtheid van deze materialen blijft hoog.

Hoewel de oxiden mogelijk alleen geschikt zijn voor bepaalde toepassingen, Gray zegt dat het belangrijkste is om te blijven zoeken naar nieuwe chemie en nieuwe materialen. "Velden stagneren als je niet blijft zoeken naar nieuwe verbindingen, " zegt ze. "Deze interessante materialen geven ons een goed inzicht in hoe we elektrodematerialen met een hogere snelheid kunnen ontwerpen."