За да демонстрират превъзходните проводими и адхезивни свойства на HOS-PFM, Лиу и неговият екип са покрили алуминиеви и силициеви електроди с HOS-PFM и са тествали работата им с литиево-йонна батерия.

Силицият и алуминият са обещаващи материали за електродите за литиево-йонни батерии заради техния потенциално голям капацитет за съхранение на енергия и леки профили. Но тези евтини и масово достъпни материали бързо се износват след множество цикли на зареждане/разреждане.

При експериментите изследователите са демонстрирали, че покритието HOS-PFM предотвратява в значителна степен разграждането на електроди на основата на силиций и алуминий по време на цикъла на зареждане/разреждане на батерията. Същевременно те осигуряват висок капацитет на батерията при над 300 цикъла, голяма производителност, на нивото на днешните най-съвременни електроди.

Проводимият свързващ елемент HOS-PFM е направен от нетоксичен полимер, който се трансформира на атомно ниво при нагряване.

Преди нагряването: При стайна температура (20 градуса по Целзий) алкиловите вериги (черни криволичещи линии) на полимерната верига PFM ограничават движението на литиевите йони (червени кръгове).

След нагряването: При нагряване до около 450 градуса по Целзий крайните вериги на алкила (въглеводородна група с един липсващ водороден атом) се стопяват, създавайки празни "лепкави" места (сини вълнообразни линии), които се "захващат" върху силициеви или алуминиеви материали на атомно ниво. След това полимерните вериги на PFM се самосглобяват в нишки, подобни на спагети, наречени "йерархично подредени структури" (или HOS). Подобно на атомна "скоростна магистрала", нишките HOS-PFM позволяват на литиевите йони да се движат с електрони (сини кръгове). Тези литиеви йони и електрони се движат в синхрон по протежение на проводими полимерни вериги. (Снимка: Джени Нус/лаборатория Berkley)

Резултатите са впечатляващи, тъй като базираните на силиций литиево-йонни клетки обикновено издържат ограничен брой цикли на зареждане/разреждане. Изследователите са описали своите открития в списанието Nature Energy.

Покритието HOS-PFM може да позволи използването на електроди, съдържащи до 80% силиций. Толкова високо съдържание на силиций може да увеличи енергийната плътност на литиево-йонните батерии поне с 30%, обяснява Лиу. И тъй като силицият е по-евтин от графита, използван в днешните електроди, по-евтините батерии могат значително да подобрят ценовата достъпност на масовите електромобили.

Изследването на екипа е подкрепено от Офиса за автомобилни технологии на щатското Министерство на енергетиката. Допълнително финансиране е осигурено от Научноизследователския институт на Toyota, а технологията е достъпна за лицензиране.