Onderzoekers van de Queen Mary University in Londen, University of Cambridge en Max Planck Institute for Solid State Research hebben ontdekt hoe een snuifje zout kan worden gebruikt om de prestaties van batterijen drastisch te verbeteren.

Ze ontdekten dat het toevoegen van zout aan de binnenkant van een supermoleculaire spons en het vervolgens bakken op hoge temperatuur de spons transformeerde in een op koolstof gebaseerde structuur.

Verrassend genoeg, het zout reageerde op speciale manieren met de spons en veranderde het van een homogene massa in een ingewikkelde structuur met vezels, stutten, pilaren en webben. Dit soort 3D hiërarchisch georganiseerde koolstofstructuur is zeer moeilijk te kweken in een laboratorium gebleken, maar is cruciaal voor het leveren van ongehinderd ionentransport naar actieve plaatsen in een batterij.

In de studie, gepubliceerd in JACS ( Tijdschrift van de American Chemical Society ), de onderzoekers tonen aan dat het gebruik van deze materialen in lithium-ion-accu's niet alleen het snel opladen van de accu's mogelijk maakt, maar ook op een van de hoogste capaciteiten.

Vanwege hun ingewikkelde architectuur hebben de onderzoekers deze structuren 'nano-diatomeeën' genoemd, en geloven dat ze ook kunnen worden gebruikt voor energieopslag en -conversie, bijvoorbeeld als elektrokatalysator voor waterstofproductie.

Hoofdauteur en projectleider Dr. Stoyan Smoukov, van de Queen Mary's School of Engineering and Materials Science, zei:"Deze metamorfose gebeurt alleen wanneer we de verbindingen tot 800 graden Celsius verhitten en was net zo onverwacht als het uitbroeden van vuurgeboren draken in plaats van gebakken eieren in Game of Thrones. Het is zeer bevredigend dat na de eerste verrassing, we hebben ook ontdekt hoe we de transformaties kunnen beheersen met chemische samenstelling."

Koolstof, waaronder grafeen en koolstofnanobuizen, is een familie van de meest veelzijdige materialen in de natuur, gebruikt in katalyse en elektronica vanwege zijn geleidbaarheid en chemische en thermische stabiliteit.

3D-op koolstof gebaseerde nanostructuren met meerdere hiërarchische niveaus kunnen niet alleen nuttige fysieke eigenschappen behouden, zoals een goede elektronische geleidbaarheid, maar kunnen ook unieke eigenschappen hebben. Deze 3D-materialen op koolstofbasis kunnen een verbeterde bevochtigbaarheid vertonen (om ioneninfiltratie te vergemakkelijken), hoge sterkte per gewichtseenheid, en directionele paden voor vloeistoftransport.

Het is, echter, zeer uitdagend om op koolstof gebaseerde hiërarchische structuren op meerdere niveaus te maken, vooral via eenvoudige chemische routes, toch zouden deze constructies nuttig zijn als dergelijke materialen in grote hoeveelheden voor de industrie moeten worden gemaakt.

De supermoleculaire spons die in het onderzoek werd gebruikt, staat ook bekend als een metaal-organisch raamwerk (MOF) materiaal. Deze MOF's zijn aantrekkelijk, moleculair ontworpen poreuze materialen met veel veelbelovende toepassingen zoals gasopslag en -scheiding. Het behoud van een groot oppervlak na carbonisatie - of bakken op hoge temperatuur - maakt ze interessant als elektrodematerialen voor batterijen. Echter, tot nu toe heeft het carboniseren van MOF's de structuur van de oorspronkelijke deeltjes behouden zoals die van een dicht koolstofschuim. Door zouten toe te voegen aan deze MOF-sponzen en ze te carboniseren, de onderzoekers ontdekten een reeks op koolstof gebaseerde materialen met meerdere hiërarchische niveaus.

Dr. R. Vasant Kumar, een medewerker aan de studie van de Universiteit van Cambridge, merkte op:"Dit werk duwt het gebruik van de MOF's naar een nieuw niveau. De strategie voor het structureren van koolstofmaterialen kan niet alleen belangrijk zijn voor energieopslag, maar ook voor energieconversie, en voelen."

Hoofdauteur, Tiesheng Wang (王铁胜), van de Universiteit van Cambridge, zei:"Mogelijk, we zouden nanodiatomeeën kunnen ontwerpen met de gewenste structuren en actieve plaatsen die in de koolstof zijn opgenomen, aangezien er duizenden MOF's en zouten zijn die we kunnen selecteren."