Als je kwantumdots toevoegt - nanokristallen 10, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar - voor een smartphone-batterij wordt deze in 30 seconden opgeladen, maar het effect houdt maar een paar oplaadcycli aan.

Echter, een groep onderzoekers van de Vanderbilt University rapporteert in het 11 november nummer van het tijdschrift ACS Nano dat ze een manier hebben gevonden om dit probleem op te lossen:de kwantumstippen maken van ijzerpyriet, algemeen bekend als het goud van de dwaas, kan batterijen produceren die snel opladen en tientallen cycli meegaan.

Het onderzoeksteam onder leiding van assistent-professor Werktuigbouwkunde Cary Pint en onder leiding van afgestudeerde studente Anna Douglas raakte geïnteresseerd in ijzerpyriet omdat het een van de meest voorkomende materialen op het aardoppervlak is. Het wordt in ruwe vorm geproduceerd als bijproduct van de steenkoolproductie en is zo goedkoop dat het wordt gebruikt in lithiumbatterijen die in de winkel worden gekocht en na eenmalig gebruik worden weggegooid.

Ondanks al hun belofte, onderzoekers hebben moeite gehad om nanodeeltjes te krijgen om de batterijprestaties te verbeteren.

"Onderzoekers hebben aangetoond dat materialen op nanoschaal batterijen aanzienlijk kunnen verbeteren, maar er is een grens, Pint zei. "Als de deeltjes heel klein worden, betekent in het algemeen minder dan 10 nanometer (40 tot 50 atomen breed), de nanodeeltjes beginnen chemisch te reageren met de elektrolyten en kunnen dus maar een paar keer opladen en ontladen. Dus dit formaatregime is verboden in commerciële lithium-ionbatterijen."

Geholpen door Douglas' expertise in het synthetiseren van nanodeeltjes, het team ging op zoek naar dit "ultrakleine" regime. Ze deden dit door miljoenen kwantumstippen van ijzerpyriet van verschillende groottes toe te voegen aan standaard lithiumknoopbatterijen, zoals die worden gebruikt om horloges van stroom te voorzien. autosleutelafstandsbedieningen en LED-zaklampen. Ze kregen het meeste waar voor hun geld toen ze ultrakleine nanokristallen toevoegden die ongeveer 4,5 nanometer groot waren. Deze verbeterden aanzienlijk de fiets- en snelheidscapaciteiten van de batterijen.

De onderzoekers ontdekten dat ze dit resultaat kregen omdat ijzerpyriet een unieke manier heeft om van vorm te veranderen in een ijzer- en een lithium-zwavel (of natriumzwavel) verbinding om energie op te slaan. "Dit is een ander mechanisme dan hoe commerciële lithium-ionbatterijen lading opslaan, waarbij lithium tijdens het opladen in een materiaal wordt ingebracht en wordt geëxtraheerd tijdens het ontladen - terwijl het materiaal dat het lithium opslaat grotendeels ongewijzigd blijft, ' legde Douglas uit.

Volgens Pint, "Je kunt het zien als vanillecake. Lithium of natrium opslaan in conventionele batterijmaterialen is alsof je chocoladeschilfers in de cake duwt en vervolgens de intacte chips eruit trekt. Met de interessante materialen die we bestuderen, je stopt chocoladeschilfers in vanillecake en het verandert in een chocoladecake met vanilleschilfers."

Als resultaat, de regels die het gebruik van ultrakleine nanodeeltjes in batterijen verbieden, gelden niet meer. In feite, de schalen kantelen ten gunste van zeer kleine nanodeeltjes.

"In plaats van alleen lithium- of natriumionen in of uit de nanodeeltjes te brengen, opslag in ijzerpyriet vereist ook de diffusie van ijzeratomen. Helaas, ijzer diffundeert langzaam, vereisen dat de grootte kleiner is dan de ijzerdiffusielengte - iets dat alleen mogelijk is met ultrakleine nanodeeltjes, ' legde Douglas uit.

Een belangrijke observatie van de studie van het team was dat deze ultrakleine nanodeeltjes zijn uitgerust met afmetingen waardoor het ijzer naar de oppervlakte kan bewegen terwijl het natrium of lithium reageert met de zwavels in het ijzerpyriet. Ze toonden aan dat dit niet het geval is voor grotere deeltjes, waar het onvermogen van het ijzer om door de ijzerpyrietmaterialen te bewegen hun opslagcapaciteit beperkt.

Pint is van mening dat begrip van chemische opslagmechanismen en hoe deze afhankelijk zijn van nanoschaaldimensies van cruciaal belang is om de ontwikkeling van batterijprestaties mogelijk te maken in een tempo dat voldoet aan de wet van Moore en de overgang naar elektrische voertuigen kan ondersteunen.

"De batterijen van morgen die in seconden kunnen worden opgeladen en in dagen ontladen, zullen niet alleen nanotechnologie gebruiken, ze zullen profiteren van de ontwikkeling van nieuwe instrumenten waarmee we nanostructuren kunnen ontwerpen die tienduizenden cycli kunnen doorstaan ​​en die over een energieopslagcapaciteit beschikken die wedijvert met die van benzine, "zei Pint. "Ons onderzoek is een belangrijke stap in deze richting."