(Phys.org) -- Al meer dan een decennium, wetenschappers hebben geprobeerd om op lithium gebaseerde batterijen te verbeteren door het grafiet in één terminal te vervangen door silicium, die 10 keer meer lading kan opslaan. Maar na slechts een paar laad-/ontlaadcycli, de siliciumstructuur zou barsten en afbrokkelen, waardoor de batterij onbruikbaar wordt.

Nu heeft een team onder leiding van materiaalwetenschapper Yi Cui van Stanford en SLAC een oplossing gevonden:een slim ontworpen dubbelwandige nanostructuur die meer dan 6, 000 cycli, veel meer dan nodig is voor elektrische voertuigen of mobiele elektronica.

“Dit is een zeer opwindende ontwikkeling in de richting van ons doel om kleinere, lichtere en duurzamere batterijen dan tegenwoordig verkrijgbaar zijn, ' zei Cui. De resultaten zijn op 25 maart gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt om apparaten van elektrische voertuigen tot draagbare elektronica van stroom te voorzien, omdat ze een relatief grote hoeveelheid energie kunnen opslaan in een relatief lichtgewicht pakket. De batterij werkt door de stroom van lithiumionen te regelen door een vloeibaar elektrolyt tussen de twee terminals, anode en kathode genoemd.

De belofte - en het gevaar - van het gebruik van silicium als anode in deze batterijen komt voort uit de manier waarop de lithiumionen zich tijdens de laadcyclus aan de anode hechten. Maximaal vier lithiumionen binden aan elk van de atomen in een siliciumanode - vergeleken met slechts één op elke zes koolstofatomen in de huidige grafietanode - waardoor het veel meer lading kan opslaan.

Echter, het zwelt ook de anode op tot wel vier keer het oorspronkelijke volume. Wat meer is, een deel van de elektrolyt reageert met het silicium, coaten en verder opladen verhinderen. Wanneer lithium tijdens het ontladen uit de anode stroomt, de anode krimpt terug naar zijn oorspronkelijke grootte en de coating barst, het blootstellen van vers silicium aan de elektrolyt.

Binnen een paar cycli, de spanning van uitzetting en samentrekking, gecombineerd met de elektrolytaanval, vernietigt de anode door een proces dat "decrepitatie" wordt genoemd.

In de afgelopen vijf jaar, Cui's groep heeft de duurzaamheid van siliciumanoden geleidelijk verbeterd door ze te maken van nanodraden en vervolgens holle silicium nanodeeltjes. Zijn nieuwste ontwerp bestaat uit een dubbelwandige silicium nanobuis bedekt met een dunne laag siliciumoxide, een zeer taai keramisch materiaal.

Deze sterke buitenlaag zorgt ervoor dat de buitenwand van de nanobuis niet uitzet, zodat het intact blijft. In plaats daarvan, het silicium zwelt onschadelijk in de holle binnenkant, die ook te klein is voor elektrolytmoleculen om binnen te komen. Na de eerste laadcyclus, het werkt voor meer dan 6, 000 cycli met nog 85 procent capaciteit.

Cui zei dat toekomstig onderzoek gericht is op het vereenvoudigen van het proces voor het maken van de dubbelwandige silicium nanobuisjes. Anderen in zijn groep ontwikkelen nieuwe hoogwaardige kathodes om te combineren met de nieuwe anode om een ​​batterij te vormen met vijf keer de prestaties van de huidige lithium-iontechnologie.

In 2008, Cui richtte een bedrijf op, Amprius, die de rechten op Stanfords patenten voor zijn silicium nanodraadanodetechnologie in licentie gaf. Het doel op korte termijn is om een ​​batterij te produceren met een dubbele energiedichtheid van de huidige lithium-ionbatterijen.