211service.com
Nanorör ger batterierna ett stöt
Ett litiumjonbatteri med en positiv elektrod gjord av kolnanorör levererar 10 gånger mer kraft än ett vanligt batteri och kan lagra fem gånger mer energi än en konventionell ultrakondensator. Nanorörsbatteriteknologin, utvecklad av forskare vid MIT och licensierad till ett hemligt batteriföretag, kan leda till batterier som förbättrar tunga hybridfordon och möjliggör snabbare laddning av elektroniska prylar, inklusive smartphones.
Nanokraft: Porerna mellan nanorören i denna transmissionselektronmikroskopbild kan lagra litiumjoner i ett högeffektsbatteri.
Forskare har försökt att tillverka elektroder för litiumjonbatterier från kolnanorör eftersom deras höga yta och höga ledningsförmåga lovar att förbättra både energi och effekttäthet i förhållande till konventionella former av kol. Men att arbeta med materialet har visat sig vara utmanande - de flesta metoder för att montera kolnanorör kräver ett bindemedel som sänker elektrodens ledningsförmåga och leder till bildandet av klumpar av materialet, vilket minskar ytan. Elektroderna tillverkade av MIT-gruppen har dock en mycket stor yta för att lagra och reagera med litium. Denna höga yta är kritisk både för elektrodernas höga lagringskapacitet, såväl som deras höga effekt: eftersom litium lagras på ytan kan det snabbt röra sig in och ut ur elektroden, vilket möjliggör snabbare laddning och urladdning av batteriet .
Nyckeln till prestandan hos MIT-elektroderna är en monteringsprocess som skapar täta, sammankopplade men ändå porösa kol-nanorörfilmer, utan behov av några fyllmedel. Gruppen, ledd av professor i kemiteknik Paula Hammond och professor i maskinteknik Yang Shao-Horn , skapa vattenlösningar av kolnanorör behandlade så att en grupp är positivt laddad och den andra är negativt laddad. De doppar sedan växelvis ett substrat, såsom en glasskiva, i de två lösningarna, och nanorören, som attraheras av skillnader i deras laddning, klamrar sig fast vid varandra mycket starkt i enhetliga, tunna lager. Forskarna hade tidigare visat att när de värms upp och tas bort från substratet kan dessa täta men ändå porösa filmer lagra mycket laddning och släppa ut den snabbt - och agera som en elektrod i en ultrakondensator.
Nu har MIT-gruppen anpassat dessa metoder för att tillverka batterielektroder. Litiumjonbatterier laddas och laddas ur när litiumjoner rör sig från en elektrod till den andra, driver eller drivs av en extern ström. Ju mer totalt litium batteriet kan lagra, desto större är dess totala energilagringskapacitet. Ju snabbare jonerna kan röra sig ut från en elektrod och in i den andra, desto större är dess kraft. I arbete publicerat denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik MIT-gruppen visade att litiumjoner i en batterielektrolyt reagerar med syrehaltiga kemiska grupper på ytan av kolnanorören i filmen. På grund av nanorörselektrodernas enorma yta och porösa struktur finns det många ställen för jonerna att reagera, och de kan färdas in och ut snabbt, vilket ger nanorörsbatteriet hög energikapacitet och kraft, säger Shao-Horn.
Detta arbete har återigen visat att utvecklingen av metoder för noggrann strukturell kontroll på nanoskala leder till stora förbättringar av materialprestanda, säger Nicholas Kotov , professor i kemiteknik vid University of Michigan. Jag tror att det bara är början på den stora förbättringen av litiumbatterier med en materialteknisk metod.
Nästa steg, säger Hammond, är att få fart på saken. Med hjälp av doppmetoden kan gruppen göra relativt tjocka nanorörsfilmer, men det tar en vecka. Ska man göra ett bilbatteri måste man göra det tjockare, och över stora ytor, säger Hammond. Istället för att doppa ett substrat i de två nanorörslösningarna, tillverkar Hammonds grupp nu elektroderna på några timmar genom att växelvis spraya utspädda dimmor av de två nanorörslösningarna. En stor fördel med denna immametod är att den är kompatibel med stora utskriftsprocesser som lovar hastighet och kompatibilitet med ett brett utbud av substrat. Till exempel kan nanorörsbatterier skrivas ut direkt på integrerade kretsar.