Las posibilidades que ofrece el grafeno se aclaran por el día como los laboratorios de todo el mundo a crecer y probar la forma de un átomo de espesor de carbono. Debido a que es tan delgado como sea posible, los fabricantes de baterías esperan sacar provecho de la superficie masiva de grafeno para almacenar iones de litio.
Contando ambos lados del material, un gramo cubriría 2.630 metros cuadrados, o casi la mitad de un campo de fútbol. Pero hay un problema: Los iones no se pegan al grafeno muy bien.
Una nueva teoría sugiere que un compuesto de grafeno / boro sobresaldría como ánodo ultra fino para las baterías de litio-ion. El compuesto podría almacenar mucha más energía que los electrodos de grafito utilizados en las baterías actuales. (Crédito: Vasilii Artyukhov / Universidad de Rice)
"Como sucede a menudo con el grafeno, la gente sobreventa lo maravilloso que sería para absorber iones", dice el físico teórico Boris Yakobson de la Universidad de Rice, cuyo grupo analiza las relaciones entre los átomos en función de su energía intrínseca. "Sin embargo, en los experimentos, no podían ver, y estaban frustrados."
Los científicos del Instituto de Investigación de Honda, que estén interesados en potentes baterías para coches eléctricos, pidió Yakobson para ver la situación. "Nos fijamos en la capacidad teórica de una hoja ideal de grafeno, y luego la forma en que podía o no podía beneficiarse de curvatura (en un nanotubo) o defectos topológicos. Nuestra expectativa inicial era que mejoraría litio vinculante.
"Pero la teoría no mostró ninguna mejora significativa", dice. "Me ha decepcionado, pero los experimentadores estaban satisfecho porque ahora sus observaciones tenían sentido."
Cálculos con grafeno con defectos, en el que la matriz de nido de abeja es interrumpido por cinco y siete átomo de polígonos, no les fue mejor."Así que decidimos explorar los defectos de los diferentes tipos en los que reemplazar algunos átomos de carbono con otro elemento que crea sitios más atractivos para el litio", dice. "Y boro es uno de ellos."
Un compuesto de carbono / boro en la que una cuarta parte de los átomos de carbono se sustituyen por boro resultó ser casi ideal como una manera de activar la capacidad de grafeno para almacenar de litio, dice Yakobson.El boro atrae a los iones de litio en la matriz, pero no tan fuertemente que no se pueda tirar de un ánodo de carbono / boro por un cátodo más atractivo.
"Contar con boro en la red da muy bien vinculante, por lo que la capacidad es lo suficientemente bueno, dos veces más grande que el grafito", el electrodo más utilizado en las baterías de iones de litio comerciales, dice."Al mismo tiempo, la tensión también es correcto."
Yakobson y Rice estudiante graduado Yuanyue Liu, primer autor del artículo publicado en la revista Journal of Physical Chemistry Letters , calculado que una hoja de grafeno totalmente lithiated / boro bidimensional tendría una capacidad de 714 miliamperios hora por gramo.
Eso se traduce en una densidad de energía de 2.120 vatios-hora por kilogramo, mucho mayor que el grafito, cuando se combina con un cátodo de óxido de cobalto de litio comercial. También determinaron que el material no se ampliaría radicalmente o contraerse a medida que se carga y descarga.
"En este caso, parece bastante razonable y supera, en teoría, al menos, lo que ya está disponible," dice Yakobson.
Un paso importante será encontrar una manera de sintetizar el compuesto de carbono / boro en grandes cantidades. "No existe, pero no es disponible en el comercio", dice.
Los co-autores del artículo son arroz investigador asociado Vasilii Artyukhov, Rice estudiante graduado Mingjie Liu y Avetik Harutyunyan, jefe científico del Instituto de Investigación de Honda. Yakobson es profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y profesor de la química.
El Honda Instituto de Investigación y el Departamento de Energía (DOE) apoyaron la investigación. Los cálculos se realizaron con el sistema DaVinci Rice, y el Instituto Nacional de Ciencias Computacionales Kraken, ambos financiados por la Fundación Nacional para la Ciencia y la National Energy Research Scientific Computing Center Hopper, apoyada por el DOE.
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