Baterie na bazie nanorurek węglowych

bateria

Naukowcy z North Carolina State University stworzyli elastyczne nanorusztowania dla baterii litowo-jonowych, które mogą znacznie wydłużyć okres działania telefonów komórkowych czy też samochodów elektrycznych. Badania opublikowane w Advanced Materials pokazują jak wysoki potencjał mają wytworzone arkusze nanorurek węglowych jednakowych rozmiarów, wyrównanych i pokrytych warstwami krzemu, materiału o wyższej zdolności do magazynowania energii niż tradycyjnie używane w bateriach litowo-jonowych kompozyty grafitu.

W dążeniu do produkcji baterii litowo-jonowych coraz większej wydajności, włożono znaczny wysiłek w poszukiwanie wysokowydajnego materiału katody oraz anody. Krzem posiada największą pojemność na jednostkę masy, i tym samym jest najbardziej obiecującym kandydatem który może zastąpić grafit jako materiał anody w bateriach nowej generacji. Głównym wyzwaniem w wykorzystaniu krzemu jest jego strukturalna niewydolność wywołana znaczną zmianą objętości podczas cyklu elektrochemicznego, prowadząc do utraty wydajności. Potrzebne są nowe rozwiązania które pozwolą na wzajemne, korzystne działanie krzemu i węgla, przy zachowaniu stabilności strukturalnej.

Wykorzystanie krzemu do baterii może spowodować ogromny wzrost ich pojemności, nawet dziesięciokrotny. Lecz dodanie krzemu może również stworzyć 10 razy więcej problemów” – powiedział prof. Philip Bradford. Jednym z największych wyzwań jest to iż krzem zwiększa swoją objętość (pęcznieje) w trakcie rozładowywania baterii podczas pracy. W cyklu pracy baterii krzem może zerwać się z elektrody i zdecydowanie zmieniać swój stan pierwotny unosząc się (pulweryzacja) zamiast pozostać na swoim miejscu, sprawiając że akumulator jest mniej stabilny i nabywa tendencji do odkształceń. Układając równolegle i wyrównując w jednym kierunku nanorurki węglowe, tak jak słomki do napojów, stworzono strukturę pozwalającą na kontrolowanie ekspansji i  mniej podatną na rozpylanie krzemu poza układ. Arkusze wyrównanych nanorurek zapewniają dużą powierzchnię właściwą i odpowiednio porowatą strukturę, co znacznie ułatwia jednolite osadzanie krzemu z fazy gazowej (CVD).

„Obecnie istnieje ogromny popyt na baterie do telefonów komórkowych oraz akumulatory do pojazdów elektrycznych, które wymagają większej wydajności energetycznej na znaczne odległości pomiędzy ładowaniami. ” – powiedział Zhang „Wierzymy, że nasza konstrukcja z nanorurek ma szansę na zmianę branży na lepsze, choć aspekty techniczne będą musiały być jeszcze dokładnie przeanalizowane. Proces produkcji jest obecnie przeskalowywany i w przyszłości będzie w pełni skomercjalizowany.”

Źródła:
[1] „Aligned Carbon Nanotube-Silicon Sheets: A Novel Nano-architecture for Flexible Lithium Ion Battery Electrodes” Online Aug. 1 in Advanced Materials onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201301920/full
[2] Battery Positive by Sam_Catch, flickr.com, CC by 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *