Grafit pe dietă în baterii litiu-ion

Scheletul de grafen solvatat prezintă o difuzie de litiu semnificativ mai bună decât grafitul solid cu aceleași proprietăți electronice ale grafenului. (c) Wiley-VCH

Cum se pot eficientiza electrozii bateriilor și acumulatorilor? În revista Angewandte Chemie, oamenii de știință americani prezintă structuri solvatate din grafen, care pot servi drept material robust, performant pentru anod. Prins într-o celulă cu buton de litiu, un electrod construit în acest mod a arătat o capacitate semnificativ mai bună decât grafitul comun.

Cât de puternice sunt bateriile litiu-ion depinde în primul rând de materialele din care sunt fabricate electrozii. Conductivitatea nu numai că trebuie să fie ridicată, dar și porozitatea este extrem de importantă pentru a asigura difuzia rapidă a ionilor de litiu în timpul ciclurilor de încărcare/descărcare.

De obicei, carbonul este utilizat sub forma sa de grafit. Cu toate acestea, Xiangfeng Duan vede dezavantaje pentru cerințele viitoare cu grafit, deoarece are de fapt doar o capacitate teoretică scăzută și nu are proprietăți de încărcare/descărcare deosebit de bune

În schimb, grafenul, care constă dintr-un singur strat de atomi de carbon, oferă o suprafață imensă și este foarte flexibil din punct de vedere mecanic. Cu toate acestea, este dificil să împachetăm grafenul într-o structură tridimensională a electrodului fără agregare, adică fără pierderea suprafeței.

În acest context, Duan și grupul său de la Universitatea din California au produs un gel de grafen hidratat care poate fi transformat în structuri 3D stabile, poroase, cu proprietăți excelente ale electrodului.

Folosind un proces hidrotermal chimic-fizic, oamenii de știință au transformat pulberea de oxid de grafen într-un hidrogel care este atât de stabil încât poate sta liber sub forma unui cub. Pe acest cub, cercetătorii au schimbat pur și simplu moleculele de apă cu lichide ionice sau solvenți organici.

Cadrul de grafen solvatat produs în acest mod ar putea fi presat în electrozi, de exemplu pentru celula butonului cu litiu. Deoarece și-a păstrat porozitatea, acești electrozi au arătat o difuzie de litiu semnificativ mai bună decât grafitul solid și, cu proprietățile electronice excelente ale grafenului.

Comparativ cu aerogelurile, adică cadrele grafene poroase și uscate, noul cadru solvatat a avut, de asemenea, o performanță mai bună. Dar oamenii de știință ar dori, de asemenea, să sublinieze aspectul general al cercetării lor: astfel de structuri tridimensionale de grafen oferă avantaje mari nu numai pentru tehnologia bateriilor. Noile rezultate au permis în general „cunoștințe fundamentale” pentru „concepția și sinteza viitoare a materialelor grafene pentru stocarea energiei și tehnologii avansate”.

Chimie aplicată: comunicat de presă 09/2015

Autor: Xiangfeng Duan, Universitatea din California, Los Angeles (SUA), http://xduan.chem.ucla.edu/

Angewandte Chemie, Postfach 101161, 69451 Weinheim, Germania.