Hybride linten van vanadiumoxide (VO2) en grafeen kunnen de ontwikkeling van krachtige lithium-ionbatterijen die geschikt zijn voor elektrische auto's en andere veeleisende toepassingen versnellen.

Het Rice University-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan heeft vastgesteld dat het goed bestudeerde materiaal een superieure kathode is voor batterijen die zowel een hoge energiedichtheid als een aanzienlijke vermogensdichtheid kan leveren. Het onderzoek verschijnt deze maand online in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

De linten die bij Rice zijn gemaakt, zijn duizenden keren dunner dan een vel papier, maar hebben een potentieel dat veel groter is dan de huidige materialen vanwege hun vermogen om zeer snel op te laden en te ontladen. Kathodes ingebouwd in halve cellen voor testen bij Rice volledig opgeladen en ontladen in 20 seconden en behielden meer dan 90 procent van hun oorspronkelijke capaciteit na meer dan 1 000 cycli.

"Dit is de richting waarin batterijonderzoek gaat, niet alleen voor iets met een hoge energiedichtheid, maar ook voor een hoge vermogensdichtheid, "Zei Ajayan. "Het zit ergens tussen een batterij en een supercondensator in."

De linten hebben ook het voordeel dat ze relatief veel en goedkope materialen gebruiken. "Dit gebeurt via een heel eenvoudig hydrothermisch proces, en ik denk dat het gemakkelijk schaalbaar zou zijn tot grote hoeveelheden, " hij zei.

Ajayan zei dat vanadiumoxide al lang wordt beschouwd als een materiaal met een groot potentieel, en in feite is vanadiumpentoxide gebruikt in lithium-ionbatterijen vanwege zijn speciale structuur en hoge capaciteit. Maar oxiden laden en ontladen langzaam op, vanwege hun lage elektrische geleidbaarheid. Het hooggeleidende grafeenrooster dat letterlijk wordt ingebakken lost dat probleem mooi op, hij zei, door te dienen als een snel kanaal voor elektronen en kanalen voor ionen.

De atoomdunne grafeenvellen die aan de kristallen zijn gebonden, nemen zeer weinig massa in beslag. In de beste monsters gemaakt bij Rice, volledig 84 procent van het gewicht van de kathode was de lithium-slurpende VO2, die 204 milliampère energie per gram bevatte. De onderzoekers, geleid door Rice afgestudeerde student Yongji Gong en hoofdauteur Shubin Yang, zeiden dat ze geloven dat dit een van de beste algemene prestaties is die ooit zijn gezien voor lithium-ionbatterij-elektroden.

"Een uitdaging voor de productie was het beheersen van de voorwaarden voor de co-synthese van VO2-linten met grafeen, " Yang zei. Het proces omvatte het ophangen van grafeenoxide nanosheets met poedervormig vanadiumpentoxide (gelaagd vanadiumoxide, met twee atomen vanadium en vijf zuurstof) in water en urenlang in een autoclaaf verhit. Het vanadiumpentoxide werd volledig gereduceerd tot VO2, die kristalliseerde tot linten, terwijl het grafeenoxide werd gereduceerd tot grafeen, zei Yang. de linten, met een webachtige coating van grafeen, waren slechts ongeveer 10 nanometer dik, tot 600 nanometer breed en tientallen micrometers lang.

"Deze linten waren de bouwstenen van de driedimensionale architectuur, " Yang zei. "Deze unieke structuur was gunstig voor de ultrasnelle diffusie van zowel lithiumionen als elektronen tijdens laad- en ontlaadprocessen. Het was de sleutel tot het bereiken van uitstekende elektrochemische prestaties."

Bij het testen van het nieuwe materiaal, Yang en Gong ontdekten dat de capaciteit voor lithiumopslag stabiel bleef na 200 cycli, zelfs bij hoge temperaturen (167 graden Fahrenheit), waarbij andere kathoden gewoonlijk vervallen, zelfs bij lage laad-ontlaadsnelheden.

"We denken dat dit een echte vooruitgang is in de ontwikkeling van kathodematerialen voor krachtige lithium-ionbatterijen, "Ajayan zei, wat suggereert dat het vermogen van de linten om in een oplosmiddel te worden gedispergeerd, ze geschikt zou kunnen maken als onderdeel in de overschilderbare batterijen die in zijn laboratorium zijn ontwikkeld.