Batterijen krijgen mogelijk een boost in stroomcapaciteit als gevolg van een nieuwe bevinding van onderzoekers van MIT. Ze ontdekten dat het gebruik van koolstofnanobuisjes voor een van de elektroden van de batterij een significante toename opleverde - tot het tienvoudige - van de hoeveelheid stroom die het kon leveren van een bepaald gewicht aan materiaal, vergeleken met een conventionele lithium-ionbatterij. Dergelijke elektroden kunnen toepassingen vinden in kleine draagbare apparaten, en met verder onderzoek zou dit ook kunnen leiden tot verbeterde batterijen voor grotere, meer energieverslindende toepassingen.

Om het krachtige nieuwe elektrodemateriaal te produceren, het team gebruikte een laag-voor-laag fabricagemethode, waarin een basismateriaal afwisselend wordt gedompeld in oplossingen die koolstofnanobuizen bevatten die zijn behandeld met eenvoudige organische verbindingen die ze een positieve of negatieve nettolading geven. Wanneer deze lagen op een oppervlak worden afgewisseld, ze hechten nauw aan elkaar vanwege de complementaire ladingen, het maken van een stabiele en duurzame film.

De bevindingen, door een team onder leiding van universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde en Materiaalwetenschappen en Engineering Yang Shao-Horn, in samenwerking met Bayer Chair Professor of Chemical Engineering Paula Hammond, worden gerapporteerd in een paper die op 20 juni in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie . De hoofdauteurs zijn student chemische technologie Seung Woo Lee PhD '10 en postdoctoraal onderzoeker Naoaki Yabuuchi.

Batterijen, zoals de lithium-ionbatterijen die veel worden gebruikt in draagbare elektronica, bestaan ​​uit drie basiscomponenten:twee elektroden (de anode genoemd, of negatieve elektrode, en de kathode, of positieve elektrode) gescheiden door een elektrolyt, een elektrisch geleidend materiaal waardoor geladen deeltjes, of ionen, gemakkelijk kan bewegen. Wanneer deze batterijen in gebruik zijn, positief geladen lithiumionen reizen over de elektrolyt naar de kathode, het produceren van een elektrische stroom; als ze zijn opgeladen, een externe stroom zorgt ervoor dat deze ionen de andere kant op bewegen, zodat ze ingebed raken in de ruimtes in het poreuze materiaal van de anode.

In de nieuwe batterij-elektrode, koolstofnanobuisjes - een vorm van pure koolstof waarin vellen koolstofatomen worden opgerold tot kleine buisjes - "assembleren zichzelf" tot een strak gebonden structuur die poreus is op nanometerschaal (miljardsten van een meter). In aanvulling, de koolstofnanobuisjes hebben veel zuurstofgroepen op hun oppervlak, die een groot aantal lithiumionen kan opslaan; hierdoor kunnen koolstofnanobuisjes voor het eerst dienen als de positieve elektrode in lithiumbatterijen, in plaats van alleen de negatieve elektrode.

Dit proces van "elektrostatische zelfassemblage" is belangrijk, Hammond legt uit, omdat gewoonlijk koolstofnanobuisjes op een oppervlak de neiging hebben om samen te klonteren in bundels, waardoor minder blootgestelde oppervlakken reacties ondergaan. Door organische moleculen op de nanobuisjes op te nemen, ze assembleren op een manier die "een hoge mate van porositeit heeft terwijl er een groot aantal nanobuisjes aanwezig is, " ze zegt.

Lithiumbatterijen met het nieuwe materiaal demonstreren enkele van de voordelen van beide condensatoren, die in korte bursts zeer hoge vermogens kan produceren, en lithiumbatterijen, die gedurende lange perioden gestaag een lager vermogen kan leveren, zegt Lee. De energie-output voor een bepaald gewicht van dit nieuwe elektrodemateriaal bleek vijf keer groter te zijn dan voor conventionele condensatoren, en de totale vermogensafgifte was 10 keer die van lithium-ionbatterijen, zegt het team. Deze prestatie kan worden toegeschreven aan een goede geleiding van ionen en elektronen in de elektrode, en efficiënte lithiumopslag op het oppervlak van de nanobuisjes.

Naast hun hoge vermogen, de koolstof nanobuis-elektroden vertoonden een zeer goede stabiliteit in de tijd. na 1, 000 cycli van opladen en ontladen van een testbatterij, er was geen waarneembare verandering in de prestaties van het materiaal.

De elektroden die het team produceerde, hadden diktes tot enkele microns, en de verbeteringen in de energielevering werden alleen waargenomen bij hoge uitgangsniveaus. Bij toekomstig werk, het team streeft ernaar dikkere elektroden te produceren en de verbeterde prestaties ook uit te breiden tot lage vermogens, ze zeggen. In zijn huidige vorm, het materiaal kan toepassingen hebben voor kleine, draagbare elektronische apparaten, zegt Shao-Hoorn, maar als het gerapporteerde hoge vermogen in een veel dikkere vorm zou worden aangetoond - met diktes van honderden microns in plaats van slechts een paar - zou het uiteindelijk geschikt kunnen zijn voor andere toepassingen zoals hybride auto's.

Terwijl het elektrodemateriaal werd geproduceerd door afwisselend een substraat in twee verschillende oplossingen te dompelen - een relatief tijdrovend proces - suggereert Hammond dat het proces kan worden aangepast door in plaats daarvan de afwisselende lagen op een bewegend lint van materiaal te sproeien, een techniek die nu in haar lab wordt ontwikkeld. Dit zou uiteindelijk de mogelijkheid kunnen openen voor een continu productieproces dat kan worden opgeschaald naar grote volumes voor commerciële productie, en kan ook worden gebruikt om dikkere elektroden met een grotere vermogenscapaciteit te produceren. "Er is geen echte limiet" op de potentiële dikte, zegt Hammond. "De enige beperking is de tijd die nodig is om de lagen te maken, " en de spuittechniek kan tot 100 keer sneller zijn dan dompelen, ze zegt.

Lee zegt dat hoewel koolstofnanobuisjes tot nu toe in beperkte hoeveelheden zijn geproduceerd, een aantal bedrijven maakt zich momenteel op voor massaproductie van het materiaal, wat zou kunnen helpen om het een levensvatbaar materiaal te maken voor grootschalige batterijproductie.