Een papierachtige batterij-elektrode die is ontwikkeld door een ingenieur van de Kansas State University kan hulpmiddelen voor verkenning van de ruimte of onbemande luchtvaartuigen verbeteren.

Gurpreet Singh, universitair hoofddocent mechanische en nucleaire techniek, en zijn onderzoeksteam creëerden de batterij-elektrode met behulp van siliciumoxycarbide-glas en grafeen.

De batterij-elektrode heeft alle juiste eigenschappen. Het is meer dan 10 procent lichter dan andere batterij-elektroden. Het heeft een cyclusrendement van bijna 100 procent voor meer dan 1000 laad-ontlaadcycli. Het is gemaakt van goedkope materialen die bijproducten zijn van de siliconenindustrie. En het functioneert bij temperaturen zo laag als min 15 graden C, waardoor het tal van lucht- en ruimtetoepassingen heeft.

Het onderzoek verschijnt in Natuurcommunicatie artikel "Silicium oxycarbide glas-grafeen composiet papierelektrode voor lithium-ionbatterijen met lange cyclus."

Het onderzoeksteam van Singh heeft nieuwe materiaalcombinaties voor batterijen en elektrodeontwerp onderzocht. Het was moeilijk om grafeen en silicium in praktische batterijen op te nemen vanwege de uitdagingen die zich voordoen bij hoge massabelastingen, zoals een lage capaciteit per volume, slechte fietsefficiëntie en chemisch-mechanische instabiliteit.

Singh's team heeft deze uitdagingen aangepakt door een zelfdragende en gebruiksklare elektrode te vervaardigen die bestaat uit een glasachtig keramiek genaamd siliciumoxycarbide, ingeklemd tussen grote bloedplaatjes van chemisch gemodificeerd grafeen, of CMG. De elektrode heeft een hoge capaciteit van ongeveer 600 milliampère-uur per gram - 400 milliampère-uur per kubieke centimeter - die is afgeleid van siliciumoxycarbide. Het papierachtige ontwerp is gemaakt van 20 procent chemisch gemodificeerde grafeenplaatjes.

"Het papierachtige ontwerp verschilt duidelijk van de elektroden die in huidige batterijen worden gebruikt, omdat het de steun van metaalfolie en polymeerlijm elimineert - die beide niet bijdragen aan de capaciteit van de batterij, ' zei Singh.

Het ontwerp dat het team van Singh ontwikkelde, bespaarde ongeveer 10 procent van het totale gewicht van de cel. Het resultaat is een lichtgewicht elektrode die lithium-ionen en elektronen kan opslaan met een cyclusrendement van bijna 100 procent voor meer dan 1000 oplaadcycli. Het belangrijkste aspect is dat het materiaal dergelijke prestaties op praktisch niveau kan aantonen, zei Singh.

De papieren elektrodecellen kunnen ook een capaciteit van 200 milliampère-uur per gram leveren, zelfs wanneer ze ongeveer een maand bij min 15 ° C worden bewaard, wat vrij opmerkelijk is, aangezien de meeste batterijen niet presteren bij zulke lage temperaturen, zei Singh.

"Dit suggereert dat oplaadbare batterijen van siliciumglas- en grafeenelektroden ook geschikt kunnen zijn voor onbemande luchtvaartuigen die op grote hoogte vliegen, of misschien zelfs ruimtetoepassingen, ' zei Singh.

Het materiaal van siliciumoxycarbide zelf is heel bijzonder, zei Singh. Het wordt bereid door een vloeibare hars te verhitten tot het punt waarop het ontleedt en verandert in scherpe glasachtige deeltjes. het silicium, koolstof- en zuurstofatomen worden herschikt in een willekeurige 3D-structuur en eventuele overtollige koolstof slaat neer in cellulaire regio's. Zo'n open 3D-structuur creëert grote locaties voor omkeerbare lithiumopslag en soepele kanalen voor lithium-iontransport. Deze structuur en het mechanisme van lithiumopslag is anders dan die van kristallijne siliciumelektroden. Siliciumoxycarbide-elektroden zullen naar verwachting goedkoop zijn omdat de grondstof - vloeibare hars - een bijproduct is van de siliconenindustrie.

Vooruit gaan, Singh en zijn team willen praktische uitdagingen aangaan. Singh's doel is om dit elektrodemateriaal op nog grotere afmetingen te produceren. Bijvoorbeeld, hedendaagse potlood-celbatterijen gebruiken grafiet-gecoate koperfolie-elektroden die meer dan een voet lang zijn. Het team wil ook mechanische buigtests uitvoeren om te zien hoe deze de prestatieparameters beïnvloeden.

"Uiteindelijk, we willen graag samenwerken met de industrie om de productie van lithium-ionbatterijen met volledige cellen te onderzoeken, Singh zei. "Siliciumoxycarbide kan ook worden bereid door 3D-printen, dat is een ander gebied van belang voor ons."