(Phys.org) — Materiaalwetenschappers hebben een eenvoudige, robuuste manier om koolstofvrij en polymeervrij te fabriceren, lichtgewicht colloïdale films voor lithium-ion batterij-elektroden, wat de batterijprestaties aanzienlijk zou kunnen verbeteren.

Door een methode te ontwikkelen voor elektroden zonder additieven die een hoge geleidbaarheid behouden, de onderzoekers hebben nieuwe mogelijkheden geopend om het gewicht en het volume van batterijen te verminderen, terwijl ook een sjabloonsysteem wordt gemaakt voor het bestuderen van de fysica van nanodeeltjeselektroden.

Het werk, onder leiding van Richard Robinson, assistent-professor materiaalkunde en techniek, en afgestudeerde student Don-Hyung Ha, is te zien in het nummer van 10 oktober van Nano-letters (Vol. 12, nr. 10).

Nanodeeltjes zijn uitgebreid onderzocht als actieve kathode en anode in lithium-ionbatterijen - veelvoorkomende componenten van elektronische apparaten - omdat ze de elektrochemische eigenschappen van de batterijen kunnen verbeteren.

Om colloïdale nanodeeltjes voor de elektroden te gebruiken, het was nodig geweest om ze te combineren met op koolstof gebaseerde geleidende materialen om het ladingstransport te verbeteren, evenals polymere bindmiddelen om de deeltjes aan elkaar en aan het elektrodesubstraat te kleven, zei Robinson. Dit proces voegde extra gewicht toe aan de batterij en maakte het moeilijk om de beweging van Li-ionen en elektronen door het mengsel te modelleren.

De kritische verwerkingstechniek die Robinson en collega's gebruikten, was elektroforetische depositie, die de metalen nanodeeltjes aan het oppervlak van het elektrodesubstraat aan elkaar bindt in een assemblage, het creëren van sterke elektrische contacten tussen de deeltjes en de stroomcollector.

Het proces resulteert in een aanzienlijke verbetering van de batterij-elektrodeassemblage die niet kan worden gerepliceerd met conventionele methoden. Eenmaal bevestigd, de deeltjes zijn niet meer oplosbaar en mechanisch robuust. In feite, deze verwerking zorgt voor een film die een superieure mechanische stabiliteit heeft in vergelijking met films die zijn vervaardigd met conventionele methoden voor het maken van batterijen met bindmiddelen, zei Robinson.

Dit onderzoek heeft geleid tot de eerste kobaltoxide nanodeeltjesfilm batterij-elektrode die is gemaakt zonder gebruik te maken van bindmiddelen en roetadditieven, en ze vertonen hoge gravimetrische en volumetrische capaciteiten, zelfs na 50 cycli.