Het is mogelijk om een ​​lithium-ionbatterij te maken die in enkele minuten kan worden opgeladen maar toch met een hoge capaciteit werkt, volgens onderzoek van het Rensselaer Polytechnic Institute dat zojuist is gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Deze ontwikkeling heeft het potentieel om de batterijprestaties voor consumentenelektronica te verbeteren, zonne-net opslag, en elektrische voertuigen.

Een lithium-ionbatterij laadt en ontlaadt terwijl lithiumionen tussen twee elektroden bewegen, een anode en een kathode genoemd. In een traditionele lithium-ionbatterij, de anode is gemaakt van grafiet, terwijl de kathode is samengesteld uit lithiumkobaltoxide.

Deze materialen presteren goed samen, daarom zijn lithium-ionbatterijen steeds populairder geworden, maar onderzoekers van Rensselaer denken dat de functie verder kan worden verbeterd.

"De manier om batterijen te verbeteren, is door de materialen die voor de elektroden worden gebruikt, te verbeteren. " zei Nikhil Koratkar, hoogleraar mechanische, ruimtevaart, en nucleaire techniek bij Rensselaer, en corresponderende auteur van het artikel. "Wat we proberen te doen, is de lithium-iontechnologie nog beter te laten presteren."

Koratkars uitgebreide onderzoek naar nanotechnologie en energieopslag heeft hem tot de meest geciteerde onderzoekers ter wereld geplaatst. In dit meest recente werk Koratkar en zijn team verbeterden de prestaties door kobaltoxide te vervangen door vanadiumdisulfide (VS ₂ ).

"Het geeft je een hogere energiedichtheid, omdat het licht is. En het geeft je een snellere oplaadmogelijkheid, omdat het zeer geleidend is. Vanuit die gezichtspunten we werden aangetrokken door dit materiaal, " zei Koratkar, die ook een professor is bij de afdeling Materials Science and Engineering.

Opwinding rond het potentieel van VS ₂ is de laatste jaren gegroeid, maar tot nu toe, Koratkar zei, onderzoekers waren uitgedaagd door zijn instabiliteit - een kenmerk dat zou leiden tot een korte levensduur van de batterij. De onderzoekers van Rensselaer stelden niet alleen vast waarom die instabiliteit zich voordeed, maar ontwikkelde ook een manier om het te bestrijden.

Het team, waaronder ook Vincent Meunier, hoofd van de afdeling Natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie, en anderen, bepaald dat lithium-insertie een asymmetrie veroorzaakte in de afstand tussen vanadiumatomen, bekend als Peierls-vervorming, die verantwoordelijk was voor het uiteenvallen van de VS ₂ vlokken. Ze ontdekten dat het bedekken van de vlokken met een nanogelaagde coating van titaniumdisulfide (TiS ₂ ) - een materiaal dat Peierls niet vervormt - zou de VS . stabiliseren ₂ vlokken en verbeteren hun prestaties in de batterij.

"Dit was nieuw. Mensen hadden niet door dat dit de onderliggende oorzaak was, " zei Koratkar. "De TiS ₂ coating werkt als een bufferlaag. Het houdt de VS ₂ materiaal samen, mechanische ondersteuning bieden."

Toen dat probleem eenmaal was opgelost, het team ontdekte dat de VS ₂ -TiS ₂ elektroden kunnen werken met een hoge specifieke capaciteit, of veel lading per massa-eenheid opslaan. Koratkar zei dat het kleine formaat en gewicht van vanadium en zwavel hen in staat stelt een hoge capaciteit en energiedichtheid te leveren. Hun kleine formaat zou ook bijdragen aan een compacte batterij.

Toen het opladen sneller ging, Koratkar zei, de capaciteit daalde niet zo aanzienlijk als vaak bij andere elektroden. De elektroden konden een redelijke capaciteit behouden omdat, in tegenstelling tot kobaltoxide, de VS ₂ -TiS ₂ materiaal is elektrisch geleidend.

Koratkar ziet meerdere toepassingen voor deze ontdekking in het verbeteren van autobatterijen, macht voor draagbare elektronika, en zonne-energieopslag waar hoge capaciteit belangrijk is, maar een hogere laadsnelheid zou ook aantrekkelijk zijn.