Koolstofvezels afkomstig van een duurzame bron, een soort wilde paddenstoel, en gemodificeerd met nanodeeltjes is aangetoond dat ze beter presteren dan conventionele grafietelektroden voor lithium-ionbatterijen.

Onderzoekers van Purdue University hebben elektroden gemaakt van een soort wilde schimmel genaamd Tyromyces fissilis.

"De huidige ultramoderne lithium-ionbatterijen moeten worden verbeterd in zowel energiedichtheid als vermogen om te voldoen aan de toekomstige vraag naar energieopslag in elektrische voertuigen en technologieën voor energieopslag op het elektriciteitsnet, " zei Vilas Pol, een universitair hoofddocent aan de School of Chemical Engineering en de School of Materials Engineering. "Dus er is een grote behoefte om nieuwe anodematerialen te ontwikkelen met superieure prestaties."

Batterijen hebben twee elektroden, een anode en een kathode genoemd. De anodes in de meeste lithium-ionbatterijen van tegenwoordig zijn gemaakt van grafiet. Lithium-ionen zitten in een vloeistof die elektrolyt wordt genoemd, en deze ionen worden tijdens het opladen in de anode opgeslagen.

Pol en promovendus Jialiang Tang hebben ontdekt dat koolstofvezels die zijn afgeleid van Tyromyces fissilis en gemodificeerd door kobaltoxide-nanodeeltjes te hechten, beter presteren dan conventioneel grafiet in de anodes. Het hybride ontwerp heeft een synergetisch resultaat, zei Pol.

"Zowel de koolstofvezels als de kobaltoxidedeeltjes zijn elektrochemisch actief, dus je capaciteitsnummer wordt hoger omdat ze allebei meedoen, " hij zei.

De hybride anodes hebben een stabiele capaciteit van 530 milliampère uur per gram, wat anderhalf keer groter is dan de capaciteit van grafiet.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper die op 17 maart online verschijnt in de American Chemical Society's Duurzame chemie en techniek logboek.

Een benadering voor het verbeteren van de batterijprestaties is het wijzigen van koolstofvezels door bepaalde metalen, legeringen of metaaloxiden die zorgen voor een verhoogde opslag van lithium tijdens het opladen. Tang kwam op het idee om schimmels af te tappen voor grondstoffen terwijl hij onderzoek deed naar alternatieve bronnen voor koolstofvezels.

"De methoden die nu worden gebruikt om koolstofvezels voor batterijen te produceren, zijn vaak chemisch zwaar en duur, ' zei Tang.

Hij zag een paddenstoel groeien op een rottende houtstronk in zijn achtertuin en besloot zijn potentieel als bron voor koolstofvezels te bestuderen.

"Ik was nieuwsgierig naar de structuur, dus ik sneed het open en ontdekte dat het zeer interessante eigenschappen heeft, " zei hij. "Het is erg rubberachtig en toch erg taai tegelijk. Het meest interessante, als ik het opensnijd, heeft het een zeer vezelige netwerkstructuur."

Vergelijkingen met andere schimmels toonden aan dat de Tyromyces fissilis vooral veel vezels bevat. De vezels worden onder hoge temperaturen verwerkt in een kamer die argongas bevat met behulp van een procedure die pyrolyse wordt genoemd, wat pure koolstof oplevert in de oorspronkelijke vorm van de schimmelvezels.

De vezels hebben een ongeordende opstelling en verstrengelen zich als spaghettinoedels.

"Ze vormen een geleidend onderling verbonden netwerk, ' zei Pol.

Het onderling verbonden netwerk zorgt voor sneller elektronentransport, waardoor de batterij sneller kan worden opgeladen.

Elektronenmicroscopie-onderzoeken werden uitgevoerd in het Birck Nanotechnology Center in Purdue's Discovery Park.