(Phys.org) —Onderzoekers van de Rice University hebben een nieuwe manier bedacht om de efficiëntie van de alomtegenwoordige lithium-ionbatterij (LI) te verhogen door linten van grafeen te gebruiken die beginnen als koolstofnanobuisjes.

Proof-of-concept anodes - het deel van de batterij dat lithiumionen opslaat - gebouwd met grafeen nanoribbons (GNR's) en tinoxide vertoonden een initiële capaciteit die beter was dan de theoretische capaciteit van tinoxide alleen, volgens Rice scheikundige James Tour. Na 50 laad-ontlaadcycli, de testunits behielden een capaciteit die nog steeds meer dan het dubbele was van het grafiet dat momenteel wordt gebruikt voor LI-batterijanodes.

Het onderzoek verscheen deze week in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Iedereen die een mobiele telefoon of computer bij zich heeft of een elektrische auto bestuurt, heeft grote behoefte aan betere batterijen. Het Rice-team ziet het potentieel voor GNR's om bij te dragen aan hun ontwikkeling.

Tour en zijn collega's ontwikkelden een methode om nanobuisjes uit te pakken in GNR's, onthuld in een coververhaal uit 2009 in Nature. Vanaf dat moment, de onderzoekers hebben ontdekt hoe grafeen nanoribbons in bulk kunnen worden gemaakt en zijn op weg naar commerciële toepassingen. Een gebied dat rijp is voor verbetering, is de bescheiden batterij. In een steeds mobielere wereld, batterijcapaciteit wordt een knelpunt dat apparaten over het algemeen beperkt tot minder dan een dag gebruik.

In de nieuwe experimenten het Rice lab mengde grafeen nanolinten en tinoxide deeltjes van ongeveer 10 nanometer breed in een slurry met een cellulose gom bindmiddel en een beetje water, verspreid het op een stroomafnemer en verpakt het in een knoopbatterij. GNR's zijn één atoom dik en duizenden keren langer dan breed. De GNR's scheiden en ondersteunen niet alleen het tinoxide, maar helpen ook om lithiumionen aan de nanodeeltjes te leveren.

Laboratoriumtests toonden initiële laadcapaciteiten van meer dan 1, 520 milliampère uur per gram (mAh/g). Over herhaalde laad-ontlaadcycli, het materiaal bezonken tot een vaste stof 825 mAh/g. "Het duurde ongeveer twee maanden om door 50 cycli te gaan, " zei hoofdauteur Jian Lin, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice, die gelooft dat het nog veel meer aankan zonder aanzienlijke capaciteit te verliezen.

GNR's kunnen ook helpen een groot probleem met de ontwikkeling van LI-batterijen te overwinnen. Lithiumionen hebben de neiging om het materiaal dat ze bewonen uit te zetten, en het materiaal trekt samen als ze worden weggetrokken. Overuren, materialen zoals silicium, die een buitengewone capaciteit voor lithium vertoont, breken en verliezen hun vermogen om ionen op te slaan. Andere laboratoria bij Rice hebben doorbraken gemaakt die het uitzettingsprobleem helpen oplossen door behandeld silicium in een poeder te breken, het bereiken van een grote capaciteit en veel cycli.

GNR's hebben een andere benadering door batterijen een zekere mate van flexibiliteit te geven, zei toer. "Grafeen-nanoribbons vormen een geweldig raamwerk dat de tinoxide-nanodeeltjes verspreidt en ervoor zorgt dat ze niet fragmenteren tijdens het fietsen, " zei hij. "Aangezien de tinoxidedeeltjes slechts enkele nanometers groot zijn en dat mogen blijven door te worden verspreid op GNR-oppervlakken, de volumeveranderingen in de nanodeeltjes zijn niet dramatisch. GNR's bieden ook een lichtgewicht, geleidend kader, met hun hoge beeldverhoudingen en extreme dunheid."

De onderzoekers wezen erop dat het werk een "startpunt is voor het verkennen van de composieten gemaakt van GNR's en andere overgangsmetaaloxiden voor lithiumopslagtoepassingen." Lin zei dat het laboratorium van plan is om batterijen te bouwen met andere metalen nanodeeltjes om hun fiets- en opslagcapaciteit te testen.