Een geheel nieuw type nanomateriaal ontwikkeld aan het Rensselaer Polytechnic Institute zou de volgende generatie krachtige oplaadbare lithium (Li)-ionbatterijen voor elektrische auto's mogelijk maken, evenals batterijen voor laptops, mobieltjes, en andere draagbare apparaten.

Het nieuwe materiaal, "nanoscoop" genoemd omdat de vorm lijkt op een kegel met een bolletje ijs erop, is bestand tegen extreem hoge laad- en ontlaadsnelheden die ertoe zouden leiden dat conventionele elektroden die in de huidige Li-ion-batterijen worden gebruikt, snel verslechteren en defect raken. Het succes van de nanoscoop ligt in de unieke materiaalsamenstelling, structuur, en maat.

Het onderzoeksteam van Rensselaer, onder leiding van professor Nikhil Koratkar, demonstreerde hoe een nanoscoop-elektrode 40 tot 60 keer sneller kon worden opgeladen en ontladen dan conventionele batterijanodes, met behoud van een vergelijkbare energiedichtheid. Deze geweldige prestatie, die werd bereikt over 100 ononderbroken laad-/ontlaadcycli, heeft het team er vertrouwen in dat hun nieuwe technologie een aanzienlijk potentieel heeft voor het ontwerp en de realisatie van krachtige, oplaadbare Li-ionbatterijen met hoge capaciteit.

"Mijn laptop of mobiele telefoon in een paar minuten opladen, in plaats van een uur, lijkt me best goed, " zei Koratkar, een professor in de afdeling Mechanische, ruimtevaart, en Nuclear Engineering bij Rensselaer. "Door onze nanoscopen te gebruiken als anode-architectuur voor oplaadbare Li-ion-batterijen, dit is een heel reëel vooruitzicht. Bovendien, deze technologie kan mogelijk worden opgevoerd om te voldoen aan de veeleisende behoeften van batterijen voor elektrische auto's."

Accu's voor volledig elektrische voertuigen moeten naast hoge energiedichtheid ook hoge vermogensdichtheden leveren, zei Koatkar. Deze voertuigen gebruiken tegenwoordig supercondensatoren om energie-intensieve functies uit te voeren, zoals het starten van het voertuig en snel accelereren, in combinatie met conventionele batterijen die een hoge energiedichtheid leveren voor normaal cruisen en andere activiteiten. Koratkar zei dat de uitvinding van nanoscopen het mogelijk kan maken om deze twee afzonderlijke systemen te combineren tot één, efficiëntere batterijeenheid.

De resultaten van het onderzoek werden gedetailleerd beschreven in het artikel "Functioneel Strain-Graded Nanoscoops for High Power Li-Ion Battery Anodes, " donderdag gepubliceerd door het tijdschrift Nano-letters .

De anodestructuur van een Li-ionbatterij groeit en krimpt fysiek naarmate de batterij wordt opgeladen of ontladen. Tijdens het opladen, de toevoeging van Li-ionen vergroot het volume van de anode, terwijl ontladen het tegenovergestelde effect heeft. Deze volumeveranderingen resulteren in een opbouw van spanning in de anode. Een te grote stress die te snel opbouwt, zoals in het geval van het opladen of ontladen van een batterij bij hoge snelheden, kan ervoor zorgen dat de batterij voortijdig uitvalt. Dit is de reden waarom de meeste batterijen in de draagbare elektronische apparaten van tegenwoordig, zoals mobiele telefoons en laptops, erg langzaam opladen - de langzame oplaadsnelheid is opzettelijk en ontworpen om de batterij te beschermen tegen door stress veroorzaakte schade.

De nanoscoop van het Rensselaer-team, echter, werd ontworpen om deze opbouw van stress te weerstaan. Gemaakt van een koolstof (C) nanostaafbasis bedekt met een dunne laag aluminium op nanoschaal (Al) en een "schepje" van silicium op nanoschaal (Si), de structuren zijn flexibel en in staat om snel Li-ionen te accepteren en te ontladen met extreem hoge snelheden zonder noemenswaardige schade op te lopen. Door de gesegmenteerde structuur van de nanoscoop kan de spanning geleidelijk worden overgedragen van de C-basis naar de Al-laag, en tot slot naar de Si primeur. Deze natuurlijke spanningsgradatie zorgt voor een minder abrupte overgang in spanning over de materiaalinterfaces, wat leidt tot een verbeterde structurele integriteit van de elektrode.

De grootte van de schep op nanoschaal is ook van vitaal belang, aangezien nanostructuren minder vatbaar zijn voor scheuren dan bulkmaterialen, volgens Koratkar.

"Vanwege hun grootte op nanoschaal, onze nanoscoops kunnen Li veel effectiever met hoge snelheden doorweken en vrijgeven dan de macroschaalanodes die in de huidige Li-ionbatterijen worden gebruikt, "zei hij. "Dit betekent dat onze nanoscoop de oplossing kan zijn voor een kritiek probleem waarmee autobedrijven en andere batterijfabrikanten worden geconfronteerd - hoe kun je de vermogensdichtheid van een batterij verhogen terwijl de energiedichtheid hoog blijft?"

Een beperking van de nanoscoop-architectuur is de relatief lage totale massa van de elektrode, zei Koratkar. Om dit op te lossen, de volgende stappen van het team zijn om te proberen langere scheppen met een grotere massa te kweken, of ontwikkel een methode om lagen nanoscopen op elkaar te stapelen. Een andere mogelijkheid die het team onderzoekt, is het kweken van de nanoscoops op grote flexibele substraten die kunnen worden gerold of gevormd om langs de contouren of het chassis van de auto te passen.