(Phys.org) — Krachtigere batterijen zouden elektrische auto's kunnen helpen een aanzienlijk groter bereik te bereiken en dus een doorbraak op de markt. Een nieuw nanomateriaal voor lithium-ionbatterijen, ontwikkeld in de laboratoria van chemici van ETH Zürich en Empa, zou hier een rol kunnen spelen.

Ze leveren stroom voor elektrische auto's, elektrische fietsen, Smartphones en laptops:tegenwoordig oplaadbare lithium-ionbatterijen zijn de favoriete opslagmedia als het gaat om het leveren van een grote hoeveelheid energie in een kleine ruimte en lichtgewicht. Over de hele wereld, wetenschappers onderzoeken momenteel een nieuwe generatie van dergelijke batterijen met verbeterde prestaties. Wetenschappers onder leiding van Maksym Kovalenko van het Laboratorium voor Anorganische Chemie van ETH Zürich en Empa hebben nu een nanomateriaal ontwikkeld waarmee aanzienlijk meer energie kan worden opgeslagen in lithium-ionbatterijen.

Het nanomateriaal bestaat uit kleine tinkristallen, die op de minpool van de accu's (anode) moeten worden ingezet. Bij het opladen van de batterijen, aan deze elektrode worden lithiumionen geabsorbeerd; tijdens het ontladen, ze worden weer losgelaten (zie kader). "Hoe meer lithiumionen de elektroden kunnen absorberen en afgeven - hoe beter ze kunnen ademen, als het ware – hoe meer energie er in een batterij kan worden opgeslagen, " legt Kovalenko uit.

Uniforme kristallen

Het element tin is hiervoor ideaal:elk tinatoom kan minimaal vier lithiumionen opnemen. Echter, de uitdaging is om de volumeverandering van tinelektroden op te vangen:tinkristal wordt tot drie keer groter als het veel lithiumionen opneemt en weer krimpt als het ze weer vrijgeeft. De wetenschappers namen dus hun toevlucht tot nanotechnologie:ze produceerden de kleinste tinnen nanokristallen en verankerden een groot aantal ervan in een poreuze, geleidende permeabele koolstofmatrix. Net zoals een spons water kan opzuigen en weer kan afgeven, een op deze manier geconstrueerde elektrode kan tijdens het opladen lithiumionen opnemen en bij het ontladen weer vrijgeven. Als de elektrode van een compact blikken blok was gemaakt, dit zou praktisch onmogelijk zijn.

Tijdens de ontwikkeling van het nanomateriaal, de kwestie van de ideale grootte voor de nanokristallen ontstond, wat ook de uitdaging met zich meebrengt om uniforme kristallen te produceren. "De truc hier was om de twee basisstappen in de vorming van de kristallen te scheiden - de vorming van een zo klein mogelijke kristalkern aan de ene kant en de daaropvolgende groei aan de andere kant, " legt Kovalenko uit. Door de tijd en temperatuur van de groeifase te beïnvloeden, de wetenschappers waren in staat om de grootte van de kristallen te regelen. "Wij zijn de eersten die zulke kleine tinkristallen met zo'n precisie produceren, ’ zegt de wetenschapper.

Grotere cyclusstabiliteit

Met behulp van uniforme tin-nanokristallen, koolstof en bindmiddelen, de wetenschappers produceerden verschillende testelektroden voor batterijen. "Hierdoor kan twee keer zoveel stroom worden opgeslagen in vergelijking met conventionele elektroden, ", zegt Kovalenko. De grootte van de nanokristallen had geen invloed op de opslagcapaciteit tijdens de eerste oplaad- en ontlaadcyclus. Na een paar oplaad- en ontlaadcycli, echter, verschillen veroorzaakt door de kristalgrootte werden duidelijk:batterijen met tien nanometer kristallen in de elektroden konden aanzienlijk meer energie opslaan dan batterijen met een dubbele diameter. De wetenschappers gaan ervan uit dat de kleinere kristallen beter presteren omdat ze lithiumionen beter kunnen opnemen en afgeven. "Tien-nanometer tinkristallen lijken dus precies het ticket voor lithium-ionbatterijen, ' zegt Kovalenko.

Omdat de wetenschappers nu de ideale grootte weten voor de tin nanokristallen, ze willen hun aandacht richten op de resterende uitdagingen van het produceren van optimale tinelektroden in verdere onderzoeksprojecten. Deze omvatten de keuze van de best mogelijke koolstofmatrix en bindmiddel voor de elektroden, en de ideale microscopische structuur van de elektroden. Bovendien, Er moet ook een optimale en stabiele elektrolytvloeistof worden gekozen waarin de lithiumionen heen en weer kunnen reizen tussen de twee polen in de batterij. uiteindelijk, de productiekosten zijn ook een probleem, die de onderzoekers willen verminderen door te testen welke kosteneffectieve basismaterialen geschikt zijn voor de productie van elektroden. Het doel is om batterijen met een verhoogde energieopslagcapaciteit en levensduur marktklaar te maken, onder meer in samenwerking met een Zwitserse industriële partner.