Lijkt op gebroken eierschalen, grafeenstructuren gebouwd rond bellen produceerden een lithium-luchtbatterij met de hoogste energiecapaciteit tot nu toe, volgens wetenschappers van Pacific Northwest National Laboratory en Princeton University. Deze zwarte, poreus materiaal zou de traditionele gladde grafeenplaten in lithium-luchtbatterijen kunnen vervangen, die tijdens gebruik verstopt raken met kleine deeltjes. Als een toegevoegde bonus, het nieuwe materiaal van het team is niet afhankelijk van platina of andere edele metalen, de potentiële kosten en de impact op het milieu te verminderen.

"Deze hiërarchische structuur van zelf-geassembleerde grafeenplaten is een ideaal ontwerp, niet alleen voor lithium-luchtbatterijen, maar ook voor vele andere potentiële energietoepassingen, " zei dr. Jie Xiao, de materiaalwetenschapper bij PNNL die het onderzoek leidde.

Met lithium-luchtbatterijen kunnen elektrische voertuigen met een groot bereik worden gemaakt, in staat om tot 300 mijl te reizen tussen oplaadbeurten. Relatief lichtgewicht, lithium-luchtbatterijen hebben nog steeds te kampen met een beperkte praktische capaciteit en een slechte levensduur. Echter, deze studie toonde aan hoe de capaciteit van de batterijen kan worden gemaximaliseerd.

"Dit is van cruciaal belang voor toepassingen, inclusief elektrische voertuigen en energieopslag, " zei dr. Jun Liu, een materiaalwetenschapper voor de studie en directeur van het Transformational Materials Science Initiative van PNNL, die het onderzoek financierde.

Het team begon met het combineren van een bindmiddel met grafeen, een speciale vorm van koolstof. Het bindmiddel verspreidde het grafeen in oplossing, als zeep verspreidt vet in afwaswater. Het grafeen en het bindmiddel werden vervolgens aan water toegevoegd en gemengd met behulp van een proces dat luchtbellen in de oplossing veroorzaakte. Het grafeen en bindmiddel vormden en verhardden rond de bubbels. Toen de bubbels uiteindelijk knalden, holle bolletjes grafeen bleven achter. De kleine zwarte deeltjes zijn slechts 3 tot 4 micron in diameter, tien keer kleiner dan een mensenhaar.

Met behulp van zowel modellering als microscopie, de wetenschappers analyseerden de grafeenstructuren en hun prestaties. Ze voerden dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit op het supercomputersysteem van het National Energy Research Scientific Computing Center. Ze bestudeerden de deeltjes met behulp van elektronenmicroscopie in het Environmental Molecular Sciences Laboratory.

De onderzoekers ontdekten dat de zwarte poreuze structuren meer dan 15, 000 milliampère uur per gram grafeen, waardoor het veel dichter is in termen van energiecapaciteit dan andere materialen.

"Er worden nu veel katalysatoren bestudeerd voor deze technologie. In ons proces hebben we ervoor gekozen om geen edelmetaal te gebruiken, " zei Dr. Ji-Guang Zhang, de groepsleider in het onderzoek naar Li-air-batterijen van PNNL. "Dit zal de productiekosten aanzienlijk verlagen en de adopteerbaarheid vergroten."

De batterij bereikt de hoogste niveaus van energiecapaciteit in een omgeving met alleen zuurstof. Bij gebruik in omgevingslucht, de capaciteit daalt omdat het water in de lucht het lithiummetaal in de batterijen vervuilt. Het PNNL-team werkt aan de ontwikkeling van een membraan om het water te blokkeren en toch de nodige zuurstof te laten stromen

"We willen de batterij ook oplaadbaar maken, "zei Zhang. "Op dit moment, Het is niet. Hij is niet volledig oplaadbaar. We werken aan een nieuwe elektrolyt en een nieuwe katalysator zodat de accu meerdere keren kan worden opgeladen, mogelijk voor batterijback-uptoepassingen die een hoge energiedichtheid vereisen."