211service.com
Nanorør giver batterier et stød
Et lithium-ion batteri med en positiv elektrode lavet af carbon nanorør leverer 10 gange mere strøm end et konventionelt batteri og kan lagre fem gange mere energi end en konventionel ultrakondensator. Nanorør-batteriteknologien, udviklet af forskere ved MIT og licenseret til et ikke offentliggjort batterifirma, kan føre til batterier, der forbedrer kraftige hybridbiler og tillader hurtigere genopladning af elektroniske gadgets, herunder smartphones.
Nanokraft: Porerne mellem nanorørene i dette transmissions-elektronmikroskopibillede kan lagre lithiumioner i et batteri med høj effekt.
Forskere har forsøgt at lave elektroder til lithium-ion-batterier fra kulstofnanorør, fordi deres høje overfladeareal og høje ledningsevne lover at forbedre både energi- og effekttæthed i forhold til konventionelle former for kulstof. Men arbejdet med materialet har vist sig at være udfordrende - de fleste metoder til at samle kulstofnanorør kræver et bindemiddel, der nedsætter elektrodens ledningsevne og fører til dannelsen af klumper af materialet, hvilket reducerer overfladearealet. Elektroderne fremstillet af MIT-gruppen har dog et meget stort overfladeareal til lagring og reaktion med lithium. Dette høje overfladeareal er kritisk både for elektrodernes høje lagerkapacitet, såvel som deres høje effekt: fordi lithium er lagret på overfladen, kan det bevæge sig ind og ud af elektroden hurtigt, hvilket muliggør hurtigere opladning og afladning af batteriet .
Nøglen til ydeevnen af MIT-elektroderne er en samlingsproces, der skaber tætte, indbyrdes forbundne, men alligevel porøse carbon-nanorør-film uden behov for fyldstoffer. Gruppen, ledet af professor i kemiteknik Paula Hammond og professor i maskinteknik Yang Shao-Horn , skabe vandopløsninger af kulstof nanorør behandlet således, at den ene gruppe er positivt ladet og den anden er negativt ladet. De dypper derefter skiftevis et substrat, såsom et objektglas, i de to opløsninger, og nanorørene, tiltrukket af forskelle i deres ladning, klæber sig meget stærkt til hinanden i ensartede, tynde lag. Forskerne havde tidligere påvist, at når de opvarmes og fjernes fra substratet, kunne disse tætte, men porøse film lagre en masse ladning og frigive den hurtigt - og fungere som en elektrode i en ultrakondensator.
Nu har MIT-gruppen tilpasset disse metoder til at lave batterielektroder. Lithium-ion-batterier oplades og aflades, når lithium-ioner bevæger sig fra den ene elektrode til den anden, driver eller bliver drevet af en ekstern strøm. Jo mere samlet lithium batteriet kan opbevare, jo større er dets samlede energilagringskapacitet. Jo hurtigere ionerne kan bevæge sig ud af den ene elektrode og ind i den anden, jo større er dens kraft. I arbejde offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Natur nanoteknologi MIT-gruppen viste, at lithiumioner i en batterielektrolyt reagerer med oxygenholdige kemiske grupper på overfladen af kulstofnanorørene i filmen. På grund af nanorørselektrodernes enorme overfladeareal og porøse struktur er der mange steder, hvor ionerne kan reagere, og de kan rejse hurtigt ind og ud, hvilket giver nanorørsbatteriet høj energikapacitet og kraft, siger Shao-Horn.
Dette arbejde har endnu en gang vist, at udviklingen af metoder til omhyggelig strukturel kontrol på nanoskala fører til store forbedringer i materialernes ydeevne, siger Nicholas Kotov , professor i kemiteknik ved University of Michigan. Jeg tror, at det kun er begyndelsen på den store forbedring af lithiumbatterier ved hjælp af en materialeteknisk tilgang.
Det næste skridt, siger Hammond, er at fremskynde tingene. Ved hjælp af dyppemetoden er gruppen i stand til at lave relativt tykke nanorørfilm, men det tager en uge. Hvis du vil lave et bilbatteri, skal du gøre det tykkere, og over store områder, siger Hammond. I stedet for at dyppe et substrat i de to nanorøropløsninger laver Hammonds gruppe nu elektroderne på få timer ved skiftevis at sprøjte fortyndet tåge af de to nanorørsopløsninger. En stor fordel ved denne dugmetode er, at den er kompatibel med store printprocesser, der lover hastighed og kompatibilitet med en bred vifte af substrater. For eksempel kan nanorør-batterier udskrives direkte på integrerede kredsløb.