Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute i USA har avsiktligt skadat grafenpapper för att skapa ett lättillverkat, snabbladdat litiumjonbatteri med hög effektdensitet. Forskarna är övertygade om att deras teknik kan vara en språngbräda till batterier som kan laddas och urladdas tio gånger snabbare än konventionella litiumjonbatterier.

SEM-bilden visar ett tvärsnitt av ett foto-termiskt reducerat grafen som visar en expanderad struktur. Grafenlagren är åtskilda med ett internkopplat nätverk som möjliggör ökad elektrolytvätning och litiumjonaccess för effektiva, högpresterande litiumjonerbatterier.

Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute i USA har tillverkat ett pappersark bestående av världens tunnaste material, grafen, och därefter utsatt arket för ljus från lasrar eller kamerablixtrar och vanställt materialet med otaliga mikrometerstora sprickor, porer och andra defekter. Resultatet uppges bli ett anodmaterial i grafen som kan laddas eller urladdas tio gånger snabbare än de konventionella grafitanoder som används i dagens litiumjonbatterier (Li-jon).

Uppladdningsbara Li-jonbatterier är branschstandard för mobiltelefoner, bärbara datorer och bärbara pekdatorer, elbilar och en rad andra produkter. Medan Li-jonbatterier har en hög energidensitet och kan lagra stora mängder energi, lider de av en låg effektdensitet och kan inte snabbt ta emot eller släppa ifrån sig energi. Den låga effektdensiteten är orsaken till att det tar ungefär en timme att ladda mobiltelefonens- eller laptopens batteri, och varför elektriska bilmotorer inte enbart kan lita på batterier och också kräver superkondensatorer för högeffektsfunktioner såsom acceleration och inbromsning.

Rensselaers forskargrupp, som leds av nanomaterialexperten Nikhil Koratkar, försökte lösa dessa problem och skapa ett nytt batteri som kan innehålla stora mängder energi, men också snabbt kunna ta emot och frigöra energi. En sådan innovation skulle kunna minska behovet av komplexa hopkopplingen av Li-jonbatterier och superkondensatorer i elbilar, och leda till enklare och bättre presterande bilmotorer baserade enbart på Li-jonbatterier med hög energi och effekttäthet.

Koratkar och hans team är övertygade om att deras nya batteri – baserat på en teknik med avsiktliga, tekniska brister i grafenmaterialet – är en kritisk språngbräda på vägen att realisera detta stora mål. Sådana batterier kan också avsevärt förkorta den tid det tar att ladda bärbara elektroniska prylar – från mobiltelefoner och bärbara datorer – till medicintekniska produkter som används av ambulans- och räddningspersonal.

– Li-jonbatteritekniken är magnifik men hindras verkligen av sin begränsade effektdensitet och oförmågan att snabbt ta upp eller släppa ifrån sig stora mängder energi. Genom att använda vårt defekta grafenpapper i batteriets arkitektur tror jag att vi kan bidra till att övervinna denna begränsning, säger Koratkar, the John A. Clark and Edward T. Crossan Professor of Engineering vid Rensselaer. Vi tror att den här upptäckten är mogen för kommersialisering och kan få en betydande inverkan på utvecklingen av nya batterier och elektriska system för elbilar och tillämpningar för bärbar elektronik.

Resultatet av studien publicerades i veckan av tidskriften ACS Nano benämnt “Photo-thermally reduced graphene as high power anodes for lithium ion batteries ”.

Koratkar och hans team började undersöka grafen som en möjlig ersättning för grafit som används som anodmaterial i dagens Li-jonbatterier. I tidigare studier visade Li-jonbatterier med grafitanoder bra energidensitet men låg effektdensitet, vilket innebär att de inte kunde ladda eller urladda snabbt. Denna långsamma laddning och urladdning berodde på att litiumjonerna fysiskt bara kunde tränga in i eller lämna batteriets grafitanod från kanterna och långsamt arbeta sig fram längs längden av de individuella grafenlagren.

Koratkar lösning var att använda en känd teknik för att skapa ett stort ark grafenoxidpapper. Detta papper har en tjocklek ungefär som ett vanligt skrivarpapper, och kan tillverkas i nästan vilken storlek eller form som helst. Forskargruppen exponerade sedan några av grafenoxidpapperena för laserljus, och andra prover av papperet utsattes för en enkel blixt från en digitalkamera. I båda fallen orsakade värmen från lasern eller fotoblixten bokstavliga miniexplosioner över hela papperet, när syreatomerna i grafenoxiden tvingades ut ur strukturen. Resultatet blev ett ark grafen som var koppärrig med otaliga sprickor, porer, håligheter och andra skador. Trycket som skapas av det utströmmande syret får också grafenpapperet att expandera fem gånger i tjocklek, vilket skapar stora hålrum mellan de enskilda grafenlagren.

Forskarna upptäckte snabbt att detta skadade grafenpapper presterade anmärkningsvärt väl som anod i ett Li-jonbatteri. Då förut litiumjonerna långsamt vandrade över hela längden på grafenarket vid laddning eller urladdning använde nu jonerna sprickor och porer som genvägar för att snabbt förflytta sig in eller ut ur grafenet och därmed kraftigt öka batteriets totala effektdensitet. Koratkars team visade hur deras experimentella anodmaterial kunde ladda eller laddas ur tio gånger snabbare än konventionella anoder i Li-jonbatterier utan att drabbas av betydande förluster avseende energitäthet. Trots de otaliga porerna, sprickorna och hålrummen i mikroskala som finns överallt i hela strukturen var grafenpappersanoden anmärkningsvärt robust och fortsatte att framgångsrikt prestera även efter mer än 1.000 laddnings/urladdningscykler. Den höga elektriska ledningsförmågan hos grafenark möjliggjorde också en effektiv elektrontransport i anoden, vilket är en annan nödvändig egenskap för tillämpningar med hög effekt.

Enligt Koratkar kan processen för att tillverka dessa nya anoder av grafenpapper för Li-jonbatterier lätt skalas upp för att passa industrins behov. Grafenpapper kan göras i stort sett i vilken storlek och form som helst och den foto-termiska exponeringen med laser eller kamerablinkar är ett enkelt och billigt förfarande att replikera. Forskarna har ansökt om patentskydd för sin upptäckt. Nästa steg för forskningsprojektet är att koppla ihop grafenanodmaterialet med ett högeffekts katodmaterial för att konstruera ett helt batteri, enligt ett pressmeddelande.

Filed under: Utländsk Teknik