(Phys.org) —Onderzoekers aan de Universiteit van Californië, Riverside's Bourns College of Engineering heeft een lithium-ionbatterij ontwikkeld die drie keer beter presteert dan de huidige industriestandaard. Het belangrijkste materiaal:zand. Ja, zand.

"Dit is de heilige graal - een lage prijs, niet giftig, milieuvriendelijke manier om hoogwaardige lithium-ionbatterijanoden te produceren, " zei Zachary Favors, een afgestudeerde student die werkt met Cengiz en Mihri Ozkan, beide technische hoogleraren aan UC Riverside.

Het idee kwam zes maanden geleden bij Favors. Hij was aan het relaxen op het strand na het surfen in San Clemente, Calif. toen hij wat zand opraapte, bekeek het van dichtbij en zag dat het voornamelijk uit kwarts bestond, of siliciumdioxide.

Zijn onderzoek is gericht op het bouwen van betere lithium-ionbatterijen, voornamelijk voor persoonlijke elektronica en elektrische voertuigen. Hij is gefocust op de anode, of negatieve kant van de batterij. Grafiet is het huidige standaardmateriaal voor de anode, maar naarmate elektronica krachtiger is geworden, is het vermogen van grafiet om te worden verbeterd vrijwel uitgeboord.

Onderzoekers richten zich nu op het gebruik van silicium op nanoschaal, of miljardsten van een meter, niveau als vervanging voor grafiet. Het probleem met silicium op nanoschaal is dat het snel degradeert en moeilijk in grote hoeveelheden te produceren is.

Gunsten waren bedoeld om beide problemen op te lossen. Hij deed onderzoek naar zand om een ​​plek in de Verenigde Staten te vinden waar het een hoog percentage kwarts bevat. Dat bracht hem naar het Cedar Creek Reservoir, ten oosten van Dallas, waar hij is opgegroeid.

Zand in de hand, hij kwam terug naar het lab van UC Riverside en maalde het tot op nanometerschaal, gevolgd door een reeks zuiveringsstappen die de kleur veranderen van bruin naar helderwit, qua kleur en textuur vergelijkbaar met poedersuiker.

Daarna, hij maalde zout en magnesium, beide veel voorkomende elementen die in zeewater zijn opgelost in het gezuiverde kwarts. Het resulterende poeder werd vervolgens verwarmd. Met het zout als warmteabsorbeerder, het magnesium werkte om de zuurstof uit het kwarts te verwijderen, wat resulteert in zuiver silicium.

Het Ozkan-team was tevreden met het verloop van het proces. En ze kwamen ook nog een positieve verrassing tegen. Het pure nano-silicium gevormd in een zeer poreuze 3D-siliconensponsachtige consistentie. Die porositeit is de sleutel gebleken tot het verbeteren van de prestaties van de batterijen die met nanosilicium zijn gebouwd.

De verbeterde prestaties kunnen betekenen dat de verwachte levensduur van op silicium gebaseerde elektrische voertuigbatterijen tot 3 keer of langer wordt verlengd, wat van belang zou zijn voor de consument, overwegende dat vervangende batterijen duizenden dollars kosten. Voor mobiele telefoons of tablets, het kan betekenen dat je elke drie dagen moet opladen, in plaats van elke dag.

De bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in een paper, "Schaalbare synthese van nano-silicium uit strandzand voor Li-ion-batterijen met een lange levensduur, " in het tijdschrift Natuur Wetenschappelijke rapporten . Naast Gunsten en de Ozkan's, auteurs waren:Wei Wang, Hamed Hosseini-baai, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed en Chueh Liu. Alle vijf zijn afgestudeerde studenten die in de laboratoria van Ozkan werken.

Nutsvoorzieningen, het Ozkan-team probeert grotere hoeveelheden van het nanosiliciumstrandzand te produceren en is van plan over te stappen van batterijen op muntformaat naar batterijen in zakformaat die in mobiele telefoons worden gebruikt.