Onderzoek prijst een goedkopere batterij met een langere levensduur

Nieuw onderzoek naar materiaaltechnologie onder leiding van Western zou zich kunnen vertalen in aanzienlijke praktische voordelen, zoals een groter bereik voor elektrische voertuigen en een langere batterijduur voor mobiele telefoons.

Onderzoekers van Western Engineering, de afdeling chemie van Western en het Soochow University-Western University Centre for Synchrotron Radiation Research werkten samen met de Canadian Light Source (CLS) van de University of Saskatchewan aan een paar onderzoeken om te bepalen of ze de kracht van fosforen konden benutten terwijl de twee belangrijkste afschrikmiddelen – kosten en duurzaamheid – verzachten en ze hebben het gedaan.

De theoretische capaciteit van fosforeen – een tweedimensionaal materiaal dat uit een enkele laag zwarte fosfor bestaat – is bijna zeven keer zo groot als die van anodematerialen die momenteel in lithium-ionbatterijen worden gebruikt. Momenteel is in de handel verkrijgbare zwarte fosfor duur, met ongeveer $ 1.000 per gram, en breekt het ook snel af wanneer het wordt blootgesteld aan lucht.

In het eerste artikel paste het onderzoeksteam een ​​nieuw proces toe om een ​​goedkope zwarte fosfor te produceren uit goedkope (ongeveer $ 0,10 / gram), laagzuivere rode fosfor, waardoor de kosten met bijna 300 procent werden verlaagd. De resulterende zwarte fosfor had bijna dezelfde zuiverheid en elektronische eigenschappen als die gemaakt met traditionele methoden en zeer zuivere rode fosfor, die ongeveer $ 40 / gram waard is.

Door de productiekosten van zwarte fosfor drastisch te verlagen, zijn de resultaten schaalbaar, aldus hoofdonderzoeker Weihan Li van Western.

“De lage prijs maakt het mogelijk om de toekomstige grootschalige toepassing van zwarte fosfor en fosforen te realiseren in energie- en elektronisch gerelateerde velden, zoals nanofotonica, nano-elektronica, opto-elektronica, secundaire batterijen en elektrokatalysatoren”, aldus Li, een postdoctorale fellow onder gezamenlijk toezicht van hoogleraar scheikunde TK Sham, Canada Research Chair in Materials and Synchrotron Radiation en engineering professor Xueliang (Andy) Sun, Canada Research Chair in Development of Nanomaterials for Clean Energy.

Met de tweede studie wilden de onderzoekers op nanoschaal en in realtime beter begrijpen waar afbraak (oxidatie) begint op fosforen en hoe het zich verspreidt. Hoewel eerder onderzoek heeft gedocumenteerd dat er inderdaad degradatie optreedt, was deze studie de eerste die het proces duidelijk in detail in beeld bracht. Het team gebruikte een aantal verschillende synchrotrontechnieken bij het CLS om deze beelden te verzamelen. De onderzoekers ontdekten dat fosforen het eerst begint af te breken in de dunste regio’s, en dat de gedegradeerde regio’s de afbraak van aangrenzende regio’s versnellen.

Volgens Li maakt hun ontdekking de weg vrij voor het ontwikkelen van strategieën om fosforeen te beschermen wanneer het wordt gebruikt in elektronica en andere apparaten.

“Het maakt het mogelijk om luchtstabiele op fosforen gebaseerde elektronische apparaten en energiegerelateerde apparaten te maken”, aldus Li.

Sun crediteert de CLS voor het spelen van een cruciale rol in beide onderzoeken.

“Vergeleken met andere bronnen in de wereld is de gebruikersondersteuning van de CLS fantastisch”, aldus Sun. “Zonder de hulp van de CLS hadden we verschillende synchrotrontechnieken in de twee werken niet kunnen combineren. Bovendien zou het uitvoeren van de in-situ studies niet mogelijk zijn geweest zonder de hulp van de beamline-wetenschappers.”