(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van Stanford hebben nanotechnologie gebruikt om een ​​betere kathode voor lithium-ionbatterijen uit te vinden.

Het ontwerp van de oplaadbare lithium-ionbatterijen van vandaag beperkt het gebruik van nieuwe technologieën zoals elektrische auto's en energieopslag op netschaal omdat ze niet genoeg energie opslaan in verhouding tot hun volume en gewicht - of, zoals onderzoekers zouden zeggen, hun energiedichtheid is te laag.

Het oplossen van dat probleem is grotendeels een kwestie van nieuwe materialen vinden voor de positief en negatief geladen batterij-elektroden, de kathode en anode.

De onderzoeksgroep van batterij-uitvinder Yi Cui, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, maakt gebruik van nanotechnologie om elektrodematerialen te fabriceren die de elektrische opslagcapaciteit van lithium-ionbatterijen aanzienlijk verbeteren. In eerder onderzoek is ze hebben batterijanoden opnieuw uitgevonden door ze te fabriceren met silicium nanodraden.

Nutsvoorzieningen, Cui en zijn studenten hebben met zwavel gecoate holle koolstofnanovezels en een speciaal elektrolytadditief gebruikt om het andere uiteinde van de oplaadbare lithium-ionbatterij te verbeteren, de kathode. De resultaten werden op 14 september online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Volgens Cui, het plaatsen van silicium nanodraadanoden en zwavelgecoate koolstofkathoden in één batterij is de volgende generatie batterijontwerp.

"Ik ben er sterk van overtuigd dat dit een veelbelovende toekomstige keuze is om betere batterijen te maken, ' zei Cui.

"Zwavel is een van de materialen die een 10 keer hogere ladingsopslagcapaciteit kan bieden, maar met ongeveer de helft van de spanning van de bestaande batterij, " hij zei.

Zowel de laadcapaciteit als de spanning hebben invloed op hoeveel energie een accu kan leveren. Met de zwavelkathode als onderdeel van een complete batterij, de hogere laadcapaciteit maakt het mogelijk om een ​​batterij te bouwen met vier tot vijf keer zoveel energieopslag in vergelijking met de bestaande lithium-ionbatterijtechnologie.

Lithium-zwavelbatterijen hebben aandacht gekregen vanwege de lage kosten en niet-toxiciteit van zwavel. Echter, eerdere generaties lithiumzwavelkathodes waren niet levensvatbaar voor commercialisering omdat ze snel falen door herhaaldelijk opladen en opladen.

De nieuwe kathodefabricage lost een aantal materiële problemen op die, Cui zei, "bij elkaar opgeteld vertegenwoordigen een heel grote uitdaging om dit materiaal te laten werken als een levensvatbare batterij."

In eerdere ontwerpen met lithium-zwavelkathodes, zwavellagen op relatief open koolstofstructuren. Dit is een probleem omdat het zwavel blootstelt aan de elektrolytoplossing van de batterij. Wanneer tussenreactieproducten, lithiumpolysulfiden genaamd, in contact komen met de elektrolytoplossing, ze verminderen de capaciteit van de batterij door op te lossen in de elektrolyt.

Als afgestudeerde student van Cui, Wesley Guangyuan Zheng, uitgelegd, "Dit kan tegenstrijdig zijn, omdat we enerzijds niet willen dat een groot oppervlak in contact komt met de zwavel en de elektrolyt, en aan de andere kant willen we een groot oppervlak voor elektrische en ionische geleidbaarheid."

Het nieuwe ontwerp lost het conflict op met een uniek fabricageproces waarmee zwavel de binnenkant van een holle koolstofnanovezel kan coaten, maar niet de buitenkant. Dit fabricageproces is gebaseerd op een nieuw gebruik van een in de handel verkrijgbare filtertechnologie die normaal wordt toegepast op waterfiltratie.

Het nieuwe kathodeontwerp verbetert ook de batterijcapaciteit omdat het een bijna gesloten structuur heeft die voorkomt dat polysulfiden aanzienlijk naar de elektrolytoplossing lekken. De lengte van een holle nanovezel is ongeveer 300 keer zijn diameter; de lange en smalle kanalen voorkomen dat polysulfiden naar buiten lekken.

Naast de winst op het gebied van energieopslag die is behaald met verbeterde fabricage van holle koolstofnanovezels met zwavel, Cui's afgestudeerde student Yuan Yang voegde een elektrolytadditief toe dat de lading en energie-efficiëntie van de batterij verbetert, bekend als de coulombefficiëntie.

"Zonder het additief stop je 100 elektronen in de batterij en haal je er 85 uit. Met het additief, je krijgt 99 uit, ' zei Cui.

"Om de beste structuur te ontwerpen, hebben we zowel het elektrodeontwerp als het elektrolytadditief nodig en deze twee gecombineerd kunnen u een hoge capaciteit en hoge coulombefficiëntie geven, " zei Cui. "We hebben nu een hoge capaciteit aan beide zijden van de elektrode; dat is spannend."