Naarmate apparaten kleiner en krachtiger worden, ze vereisen sneller, kleiner, stabielere batterijen. Chemici van de Universiteit van Illinois hebben een superionische vaste stof ontwikkeld die de basis zou kunnen zijn van de volgende generatie lithium-ionbatterijen.

Chemieprofessor Prashant Jain en afgestudeerde studenten Sarah White en Progna Banerjee beschreven het materiaal - ultrakleine nanoclusters van koperselenide - in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Nu we deze nano-elektronica-hausse zien, we hebben kleine batterijen nodig die op een chip kunnen worden gezet, en dat kan niet gebeuren met vloeibare elektrolyten, " Zei Jain. "We gebruiken nanogestructureerde materialen om de eigenschappen te bereiken die de kern vormen van lithium-iontechnologie. Ze hebben veel meer thermische en mechanische stabiliteit, er zijn geen lekkageproblemen, en we kunnen extreem dunne elektrolytlagen maken, zodat we batterijen kunnen miniaturiseren."

Standaard lithium-ion- en andere ionbatterijen zijn gevuld met een vloeibaar elektrolyt waar de lithiumionen doorheen bewegen. De ionen stromen in één richting wanneer de batterij wordt gebruikt, en de tegenovergestelde richting wanneer de batterij wordt opgeladen. Echter, vloeibare elektrolyten hebben verschillende nadelen:ze vereisen volume, degraderen als de batterij cycli, lekken en zijn licht ontvlambaar, die heeft geleid tot explosies in telefoons, laptops en andere apparaten. Hoewel vaste elektrolyten aanzienlijk stabieler zijn, ionen gaan er veel langzamer doorheen, waardoor ze minder efficiënt zijn voor batterijtoepassingen.

De koperselenide nanocluster-elektrolyt combineert het beste van zowel vloeibare als vaste elektrolyten:het heeft de stabiliteit van een vaste, maar ionen bewegen er gemakkelijk doorheen als een vloeistof. Van koperselenide is bekend dat het superionisch is bij hoge temperaturen, maar de kleine nanoclusters zijn de eerste demonstratie van het materiaal dat superionisch is bij kamertemperatuur.

De onderzoekers ontdekten deze superionische eigenschap per ongeluk terwijl ze de oppervlaktereactiviteit van koperselenide onderzochten. Ze merkten dat ultrakleine nanoclusters - ongeveer 2 nanometer in diameter - er heel anders uitzagen dan grotere koperselenide nanodeeltjes in een elektronenmicroscoop.

"Dat was onze eerste hint dat ze verschillende structuren hebben, "Zei Jain. "We hebben verder onderzoek gedaan, en we realiseerden ons dat deze kleine clusters eigenlijk halfvloeibaar zijn bij kamertemperatuur."

De reden voor de halfvloeibare, superionische eigenschap is de speciale structuur van de nanoclusters, zei Jaïn. De veel grotere seleniumionen vormen een kristalrooster, terwijl de kleinere koperionen als een vloeistof om hen heen bewegen. Deze kristalstructuur is het resultaat van interne spanning in de clusters.

"Met ongeveer 100 atomen, deze nanoclusters bevinden zich precies op het grensvlak van moleculen en nanodeeltjes, "Zei Jain. "Op dit moment, de grote stap is om elk nanodeeltje in een monster precies dezelfde grootte en vorm te geven. Het blijkt met deze clusters, elke afzonderlijke cluster is precies dezelfde structuur. op de een of andere manier, op deze maat, de elektronische structuur van het materiaal is zo stabiel dat elke afzonderlijke cluster dezelfde rangschikking van atomen heeft."

De onderzoekers werken eraan om de nanoclusters op te nemen in een batterij, meet de geleidbaarheid van lithiumionen en vergelijk de prestaties met bestaande elektrolyten in vaste toestand en vloeibare elektrolyten.