Onderzoekers van het USC hebben een nieuw lithium-ionbatterijontwerp ontwikkeld dat poreuze siliciumnanodeeltjes gebruikt in plaats van de traditionele grafietanodes om superieure prestaties te leveren.

De nieuwe batterijen, die in alles kunnen worden gebruikt, van mobiele telefoons tot hybride auto's, bevatten drie keer zoveel energie als vergelijkbare ontwerpen op basis van grafiet en zijn binnen 10 minuten weer opgeladen. Het ontwerp, momenteel onder een voorlopig octrooi, binnen twee tot drie jaar in de handel verkrijgbaar zijn.

"Het is een opwindend onderzoek. Het opent de deur voor het ontwerp van de volgende generatie lithium-ionbatterijen, " zei Chongwu Zhou, professor aan de USC Viterbi School of Engineering, die het team leidde dat de batterij ontwikkelde. Zhou werkte met USC-afgestudeerde studenten Mingyuan Ge, Jipeng Rong, Xin Fang en Anyi Zhang, evenals Yunhao Lu van de Zhejiang University in China. Hun onderzoek is gepubliceerd in Nano-onderzoek in januari.

Onderzoekers hebben lang geprobeerd silicium te gebruiken, die goedkoop is en een hoge potentiële capaciteit heeft, in batterijanoden. (Anodes zijn waar stroom in een batterij stroomt, terwijl kathoden de plaats zijn waar stroom naar buiten stroomt.) Het probleem was dat eerdere ontwerpen van siliciumanodes, die in feite kleine platen van het materiaal waren, brak door herhaaldelijk zwellen en krimpen tijdens laad-/ontlaadcycli en werd al snel onbruikbaar.

Vorig jaar, Zhou's team experimenteerde met poreuze silicium nanodraden met een diameter van minder dan 100 nanometer en slechts een paar micron lang. Door de kleine poriën op de nanodraden kon het silicium uitzetten en samentrekken zonder te breken, terwijl tegelijkertijd het oppervlak werd vergroot - waardoor lithiumionen sneller in en uit de batterij kunnen diffunderen, Prestaties verbeteren.

Hoewel de batterijen goed functioneerden, de nanodraden zijn moeilijk massaal te vervaardigen. Het probleem oplossen, Zhou's team nam in de handel verkrijgbare nanodeeltjes - kleine siliciumbolletjes - en etste ze met dezelfde poriën als de nanodraden. De deeltjes werken op dezelfde manier en kunnen in elke gewenste hoeveelheid worden gemaakt.

Hoewel de silicium nanodeeltjesbatterijen momenteel slechts 200 oplaadcycli meegaan (vergeleken met een gemiddelde van 500 voor op grafiet gebaseerde ontwerpen), het oudere op silicium nanodraad gebaseerde ontwerp van het team duurde maximaal 2, 000 cycli, die in april vorig jaar in Nano Lett werd gemeld. Verdere ontwikkeling van het nanodeeltjesontwerp moet de levensduur van de batterij verlengen, zei Zhou.

"De eenvoudige methode die we gebruiken, kan in de nabije toekomst een reële impact hebben op batterijtoepassingen, ' zei Zhou.

Toekomstig onderzoek door de groep zal zich richten op het vinden van een nieuw kathodemateriaal met een hoge capaciteit dat goed zal passen bij de poreuze silicium nanodraden en/of poreuze silicium nanodeeltjes om een ​​volledig opnieuw ontworpen batterij te creëren.