De sleutel tot betere mobiele telefoons en andere oplaadbare elektronica ligt misschien in kleine "sandwiches" gemaakt van nanosheets, volgens werktuigbouwkundig onderzoek van de Kansas State University.

Gurpreet Singh, assistent-professor mechanische en nucleaire techniek, en zijn onderzoeksteam verbeteren oplaadbare lithium-ionbatterijen. Het team heeft zich gericht op de lithiumcyclus van molybdeendisulfide, of MoS2, lakens, die Singh beschrijft als een "sandwich" van één molybdeenatoom tussen twee zwavelatomen.

In het laatste onderzoek het team heeft ontdekt dat met siliciumcarbonitride omwikkelde molybdeendisulfideplaten een verbeterde stabiliteit vertonen als een batterij-elektrode met weinig capaciteitsvervaging.

De bevindingen verschijnen in Nature's Wetenschappelijke rapporten in het artikel "Van polymeer afgeleid keramisch gefunctionaliseerd MoS2Composite-papier als een stabiele lithium-ionbatterij-elektrode." Andere betrokken onderzoekers van de Kansas State University zijn Lamuel David, doctoraalstudent werktuigbouwkunde, Indië; Uriël Barrera, senior werktuigbouwkunde, Olathe; en Romil Bhandavat, 2013 doctoraat in de werktuigbouwkunde.

In deze laatste publicatie Singh's team merkte op dat molybdeendisulfidevellen meer dan twee keer zoveel lithium opslaan - of lading - dan bulkmolybdeendisulfide gerapporteerd in eerdere onderzoeken. De onderzoekers ontdekten ook dat de hoge lithiumcapaciteit van deze vellen niet lang meegaat en na vijf laadcycli daalt.

"Dit soort gedrag is vergelijkbaar met een lithium-zwavel type batterij, die zwavel als een van zijn elektroden gebruikt, Singh zei. "Zwavel is berucht vanwege het vormen van intermediaire polysulfiden die oplossen in de organische elektrolyt van de batterij, wat leidt tot capaciteitsverlies. We zijn van mening dat de capaciteitsdaling die wordt waargenomen in molybdeendisulfideplaten ook te wijten is aan het verlies van zwavel in de elektrolyt."

Om het oplossen van op zwavel gebaseerde producten in de elektrolyt te verminderen, de onderzoekers wikkelden de molybdeendisulfideplaten met een paar lagen keramiek genaamd siliciumcarbonitride, of SiCN. Het keramiek is een hoge temperatuur, glasachtig materiaal bereid door vloeibare polymeren op siliciumbasis te verwarmen en heeft een veel hogere chemische weerstand tegen de vloeibare elektrolyt, zei Singh.

"De met siliciumcarbonitride omwikkelde molybdeendisulfideplaten vertonen een stabiele cycli van lithium-ionen, ongeacht of de batterij-elektrode op koperfolie-traditionele methode is of als een zelfdragend flexibel papier zoals in buigbare batterijen, ' zei Singh.

Na de reacties, het onderzoeksteam heeft ook de cellen gedemonteerd en geobserveerd onder de elektronenmicroscoop, die het bewijs leverden dat het siliciumcarbonitride beschermde tegen mechanische en chemische degradatie met vloeibare organische elektrolyt.

Singh en zijn team willen nu beter begrijpen hoe de molybdeendisulfidecellen zich zouden kunnen gedragen in een alledaags elektronisch apparaat - zoals een mobiele telefoon - dat honderden keren wordt opgeladen. De onderzoekers zullen de molybdeendisulfidecellen tijdens oplaadcycli blijven testen om meer gegevens te analyseren en beter te begrijpen hoe oplaadbare batterijen kunnen worden verbeterd.

Ander onderzoek door Singh's team kan helpen bij het verbeteren van coatings voor hoge temperaturen voor ruimtevaart en defensie. De ingenieurs ontwikkelen een coatingmateriaal om elektrodematerialen te beschermen tegen zware omstandigheden, zoals turbinebladen en metalen die aan intense hitte worden blootgesteld.

Het onderzoek verschijnt in het Journal of Physical Chemistry. De onderzoekers toonden aan dat wanneer siliciumcarbonitride en boornitride nanosheets worden gecombineerd, ze hebben een hoge temperatuurstabiliteit en een verbeterde elektrische geleidbaarheid. Aanvullend, deze nanosheets van siliciumcarbonitride/boornitride zijn betere batterij-elektroden, zei Singh.

"Dit was nogal verrassend omdat zowel siliciumcarbonitride als boornitride isolatoren zijn en weinig omkeerbare capaciteit hebben voor lithium-ionen, " zei Singh. "Verdere analyse toonde aan dat de elektrische geleidbaarheid verbeterde vanwege de vorming van een percolatienetwerk van koolstofatomen dat bekend staat als 'vrije koolstof' dat aanwezig is in de keramische fase van siliciumcarbonitride. Dit gebeurt alleen wanneer boornitride-vellen worden toegevoegd aan siliciumcarbonitride-precursor in de vloeibare polymere fase voordat de uitharding is bereikt."