Om een ​​auto aan te drijven zodat hij honderden kilometers tegelijk kan afleggen, lithium-ionbatterijen van de toekomst zullen meer energie moeten bevatten zonder te groot te worden.

Dat is een van de dilemma's waarmee pogingen om auto's van stroom te voorzien door middel van oplaadbare batterijtechnologieën worden geconfronteerd. Om voldoende energie vast te houden om een ​​autorit van 300-500 mijl mogelijk te maken voordat u opnieuw oplaadt, huidige lithium-ionbatterijen worden te groot of te duur.

In de zoektocht naar de "post-lithium-ion" batterij, Universitair hoofddocent chemie Dunwei Wang heeft materialen ontwikkeld waarmee op een dag nieuwe batterijen kunnen worden gemaakt die kunnen voldoen aan de vraag naar energie binnen de omvang en kostenbeperkingen van autofabrikanten en andere industrieën.

In een recent rapport gepubliceerd in het Duitse tijdschrift Angewandt Chemie , Wang en een collega van de Universiteit van Massachusetts Amherst hebben een nieuwe methode onthuld voor het stabiliseren van koolstof - een centraal structureel onderdeel van elke batterij - die de weg zou kunnen effenen naar nieuwe prestatienormen in de jacht op lithium-ioncomponenten.

Centraal in de zoektocht naar verbeterde prestaties staan ​​het vermogen om gewicht te verliezen en kostbare chemische componenten. Onderzoekers die een "lithium-lucht" -batterij nastreven, hebben zich gericht op een chemische reactie van lithium en zuurstof, die uit de lucht kan worden getrokken. Maar de materialen die zijn gebruikt om deze reactie te genereren, hebben een slechte levenscyclus laten zien, blijvend door slechts een paar kosten.

De boosdoener, zei Wang, is de instabiliteit van koolstof, een essentiële structurele ondersteuning van de elektrode van een batterij, een geleider waar ladingen worden verzameld en afgegeven.

"Koolstof wordt in elke batterij gebruikt omdat het die combinatie heeft van lage kosten, lichtgewicht en geleidbaarheid, "zei Wang. "Je kunt het niet zomaar schrappen."

Dus gingen Wang en UMass Assistant Professor of Chemical Engineering Wei Fan aan de slag om de prestatiemogelijkheden van een nieuw ontworpen vorm van koolstof, vervaardigd door Fan, te verbeteren. Het wordt driedimensionaal geordende mesoporeuze (3DOm) koolstof genoemd en wetenschappers waarderen het vanwege zijn sterk geordende structuur.

Gebruikmakend van een techniek genaamd atomic layer deposition (ALD), de onderzoekers groeiden een dunne laag ijzeroxide op de koolstof, een stap die de reactiviteit tussen lithium en zuurstof verbeterde en de prestaties tijdens de laadcyclus verbeterde. Volgende, ze gebruikten ALD om een ​​coating van palladium nanodeeltjes aan te brengen, die de verslechterende reactie van koolstof met zuurstof effectief verminderde en de ontladingscyclus verbeterde.

Hun eerste tests op het materiaal lieten een duidelijke verbetering van de prestaties zien.

"We hebben aangetoond dat een bepaalde vorm van koolstof kan worden gebruikt om een ​​nieuw type chemie te ondersteunen dat energieopslag mogelijk maakt met de belofte van vijf tot tien keer meer energiedichtheid dan de ultramoderne lithium-ionbatterijen die we vandaag zien , " zei Wang. "We zien dit als een significante verbetering van de recyclebaarheid van de batterij, dat is een belangrijk punt."

Wang zei dat de bevindingen aantonen dat 3DOm-koolstof aan nieuwe prestatienormen kan voldoen wanneer het gestabiliseerd is.

"De belangrijkste innovatie die we hier maken, is dat 3DOm-koolstof stabiel is - we hebben iets gestabiliseerd dat voorheen niet stabiel was, " zei Wang.