Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside's Bourns College of Engineering heeft een nieuw papierachtig materiaal ontwikkeld voor lithium-ionbatterijen. Het heeft het potentieel om meerdere keren de specifieke energie te verhogen, of hoeveelheid energie die kan worden geleverd per gewichtseenheid van de batterij.

Dit papierachtige materiaal is samengesteld uit sponsachtige silicium nanovezels die meer dan 100 keer dunner zijn dan mensenhaar. Het kan worden gebruikt in batterijen voor elektrische voertuigen en persoonlijke elektronica.

De bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in een paper, "Op weg naar schaalbare bindmiddelloze elektroden:met koolstof gecoat silicium nanovezelpapier via Mg-reductie van elektrospun SiO2-nanovezels, " in het journaal Natuurwetenschappelijke rapporten . De auteurs waren Mihri Ozkan, een professor in elektrische en computertechniek, Cengiz S. Ozkan, hoogleraar werktuigbouwkunde, en zes van hun afgestudeerde studenten:Zach Favors, Hamed Hosseini-baai, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed, Robert Ionescu en Rachel Ye.

De nanovezels werden geproduceerd met behulp van een techniek die bekend staat als elektrospinnen, waarbij 20, 000 tot 40, 000 volt wordt toegepast tussen een roterende trommel en een mondstuk, die een oplossing afgeeft die voornamelijk bestaat uit tetraethylorthosilicaat (TEOS), een chemische verbinding die vaak wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie. De nanovezels worden vervolgens blootgesteld aan magnesiumdamp om de sponsachtige siliciumvezelstructuur te produceren.

Conventioneel geproduceerde lithium-ionbatterijanodes zijn gemaakt van koperfolie gecoat met een mengsel van grafiet, een geleidend additief, en een polymeer bindmiddel. Maar, omdat de prestaties van grafiet bijna zijn afgetapt, onderzoekers experimenteren met andere materialen, zoals silicium, die een bepaalde capaciteit heeft, of elektrische lading per gewichtseenheid van de batterij, bijna 10 keer hoger dan grafiet.

Het probleem met silicium is dat het lijdt aan aanzienlijke volume-uitbreiding, die de batterij snel kan verslechteren. De silicium-nanovezelstructuur die in de laboratoria van Ozkan is gemaakt, omzeilt dit probleem en zorgt ervoor dat de batterij honderden keren kan worden gebruikt zonder noemenswaardige degradatie.

"Het elimineren van de behoefte aan stroomcollectoren van metaal en inactieve polymeerbindmiddelen, terwijl het overschakelen naar een energiedicht materiaal zoals silicium, zal de actieradius van elektrische voertuigen aanzienlijk vergroten, ', aldus Favors.

Deze technologie lost ook een probleem op dat vrijstaande, of zonder bindmiddel, elektroden al jaren:schaalbaarheid. Vrijstaande materialen gekweekt met behulp van chemische dampafzetting, zoals koolstof nanobuisjes of silicium nanodraden, kan alleen in zeer kleine hoeveelheden (microgram) worden geproduceerd. Echter, Favors was in staat om meerdere gram silicium nanovezels tegelijk te produceren, zelfs op laboratoriumschaal.

Het toekomstige werk van de onderzoekers omvat de implementatie van de silicium-nanovezels in een lithium-ionbatterij in zakcelformaat, dat is een batterijformaat op grotere schaal dat kan worden gebruikt in EV's en draagbare elektronica.