Lithium-zuurstofbatterijen zijn innovatieve apparaten die stroom opwekken uit atmosferische zuurstof die in poreuze, op koolstof gebaseerde elektroden. Deze batterijen zijn aanzienlijk lichter dan traditionele lithium-ionbatterijen, en dus het potentieel hebben om het rijbereik van elektrische en hybride voertuigen uit te breiden. Echter, er zijn nog veel praktische uitdagingen voor lithium-zuurstofbatterijen, meest opvallende daarvan is de opbouw van onoplosbare lithiumperoxide bijproducten in de koolstofelektrode, waardoor de batterij al na enkele oplaadcycli kan stoppen met werken.

Nutsvoorzieningen, Zhaolin Liu van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore, in samenwerking met Aishui Yu en medewerkers van Fudan University in China, heeft een koolstofnanobuis-elektrode ontwikkeld die oplaadproblemen in lithium-zuurstofbatterijen kan verlichten, dankzij een steun van driedimensionaal nikkelschuim1.

Bij eerdere pogingen om de prestaties van lithium-zuurstofbatterijen te verbeteren, onderzoekers onderzochten talloze soorten doorlaatbare koolstofelektroden, waaronder houtskool met een groot oppervlak, grafeen en poreuze aerogels. dergelijke benaderingen, echter, vertrouwen op lijmachtige bindmiddelen om de koolstofdeeltjes bij elkaar te houden. Deze bindmiddelen verlagen de zuurstofdiffusiesnelheid door de elektrode en kunnen de poriën degraderen en verstoppen.

Liu en collega's wilden een bindmiddelvrije elektrode ontwerpen door zich te wenden tot nikkelschuim, een goedkope substantie met een poreuze driedimensionale structuur die het zowel stijf als lichtgewicht maakt. Om de compatibiliteit van het schuim met lithium-zuurstofbatterijen te garanderen, het team kweekte koolstofnanobuisjes gedoteerd met kleine hoeveelheden stikstof direct op het oppervlak. Van met stikstof gedoteerde koolstof-nanobuiselektroden is aangetoond dat ze een katalytische activiteit hebben die de levensduur van de batterij verlengt, en het team verwachtte dat ze verbeterde apparaten zouden kunnen maken door deze nanomaterialen te ondersteunen met nikkelschuim.

Met behulp van chemische dampafzetting, de onderzoekers waren in staat om het nikkelschuim te bedekken met lagen gedoteerde koolstofnanobuisjes die waren gerangschikt in typische bamboe-achtige structuren. Deze nanobuisjes waren losjes verpakt en droegen bij aan een netwerk van grote, onderling verbonden tunnels door het schuim. Volgens Liu, deze tunnels vergemakkelijken zuurstofdiffusie en zorgen voor kritieke holtes waar lithiumperoxide kan worden afgezet zonder de batterijprestaties te beperken.

Toen ze de prestaties van hun bindmiddelvrije elektrode maten, het team ontdekte dat het twee keer de elektrische capaciteit van een met pure stikstof gedoteerde koolstof-nanobuis-elektrode kon leveren. Liu merkt op dat het sterke elektrische contact tussen de nanobuisjes en de nikkelondersteuning de volume-uitbreiding onderdrukt en de polarisatie-effecten die het opladen van de batterij belemmeren, beperkt. "De volgende stap zal zijn om deze elektroden toe te passen in echte lithium-zuurstofbatterijen, " hij zegt.