Tinnen nanokristallen voor toekomstige batterij

Oplaadbare Li-Ion-batterijen
Li-Ion (Lithium-Ion) batterijen zijn de meest voorkomende oplaadbare batterijen in draagbare elektronica. Lithium-ionbatterijen hebben een van de beste energiedichtheden, geen geheugeneffect, langzaam verlies van lading wanneer ze niet worden gebruikt en milieuvriendelijk omdat er geen vrij lithiummetaal is, in vergelijking met andere soorten oplaadbare batterijen. Oplaadbare lithium-ionbatterijen zijn de favoriete compacte lichtgewicht opslagmedia om een ​​grote hoeveelheid energie op te slaan in een kleine ruimte. Ze leveren stroom voor elektrische auto's, elektrische fietsen, smartphones en laptops. Wereldwijd zijn onderzoekers momenteel bezig met het ontwikkelen van een nieuwe generatie van dergelijke batterijen met verbeterde prestaties. In de meeste lithium-ionbatterijen bestaat de pluspool tegenwoordig uit de overgangsmetaaloxiden kobalt, nikkel en mangaan, de minpool van grafiet. In krachtigere lithium-ionbatterijen van de volgende generatie kunnen elementen zoals tin of silicium echter heel goed worden gebruikt aan de minpool.
Lithium-ionbatterijen op nanomateriaalbasis
Onderzoekers van het Laboratorium voor Anorganische Chemie van ETH Zürich en Empa hebben nu lithium-ionbatterijen op basis van nanomaterialen ontwikkeld.
Structuur
Het nanomateriaal heeft minuscule tinkristallen als batterijanode. Tijdens het opladen worden lithiumionen aan deze elektrode geabsorbeerd en tijdens het ontladen weer vrijgegeven. Met meer lithiumionen kunnen de elektroden absorberen en loslaten en kan er dus meer energie in de batterij worden opgeslagen. Hier kan elk tinatoom minstens vier lithiumionen opnemen, maar veranderen in volume. In de tinelektroden worden tinkristallen tot drie keer groter door veel lithiumionen te absorberen en krimpen ze weer wanneer ze weer vrijkomen, wat een uitdaging is voor de onderzoekers. Als de elektrode zou zijn gemaakt van een compact blikken blok, zou dit praktisch onmogelijk zijn. Om dit nadeel te overwinnen gebruiken onderzoekers nanotechnologie om de kleinste en uniforme tin nanokristallen te produceren en een groot aantal daarvan in te bedden in een poreuze, geleidende permeabele koolstofmatrix.
Tijdens de ontwikkeling van het nanomateriaal met ideale grootte en uniformiteit volgen de onderzoekers twee stappen tijdens de vorming van kleine kristalkernen en de daaropvolgende groei door de tijd en temperatuur van de groeifase te beïnvloeden.
Toekomstige ontwikkeling
Met de keuze van de best mogelijke koolstofmatrix en bindmiddel voor de elektroden, en een ideale microscopische structuur voor elektroden samen met een optimale en stabiele elektrolytvloeistof waarin de lithiumionen heen en weer kunnen reizen tussen de twee polen onderzoeker is van mening dat er kosteneffectieve basismaterialen kunnen worden geproduceerd die geschikt zijn voor de productie van elektroden met een grotere energieopslagcapaciteit en een langere levensduur.