I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti hanno creato un materiale composito su nanoscala di grafene e stagno per lo stoccaggio di energia ad alta capacità nelle batterie agli ioni di litio rinnovabili. Incapsulando stagno tra fogli di grafene, i ricercatori hanno costruito un nuovo, struttura leggera a "sandwich" che dovrebbe rafforzare le prestazioni della batteria.

"Per un veicolo elettrico, hai bisogno di una batteria leggera che possa essere caricata rapidamente e che mantenga la sua capacità di carica dopo ripetuti cicli, "dice Yuegang Zhang, uno scienziato del personale con la fonderia molecolare del Berkeley Lab, nella struttura di nanostrutture inorganiche, che ha condotto questa ricerca. "Qui, abbiamo mostrato il design razionale di un'architettura su scala nanometrica, che non necessita di additivo o legante per funzionare, per migliorare le prestazioni della batteria."

Il grafene è un atomo di spessore, reticolo "a filo di pollo" di atomi di carbonio con proprietà elettroniche e meccaniche stellari, ben oltre il silicio e altri materiali semiconduttori tradizionali. Il lavoro precedente sul grafene di Zhang e dei suoi colleghi ha enfatizzato le applicazioni dei dispositivi elettronici.

In questo studio, il team ha assemblato strati alternati di grafene e stagno per creare un composito su scala nanometrica. Per creare il materiale composito, un sottile film di stagno si deposita sul grafene. Prossimo, un altro foglio di grafene viene trasferito sopra il film di stagno. Questo processo viene ripetuto per creare un materiale composito, che viene quindi riscaldato a 300 Celsius (572 Fahrenheit) in un ambiente di idrogeno e argon. Durante questo trattamento termico, il film di stagno si trasforma in una serie di pilastri, aumentando l'altezza dello strato di stagno.

"La formazione di questi nanopillar di stagno da un film sottile è molto particolare per questo sistema, e troviamo che anche la distanza tra gli strati di grafene superiore e inferiore cambia per adattarsi al cambiamento di altezza dello strato di stagno, "dice Liwen Ji, un ricercatore post-dottorato presso la Fonderia. Ji è l'autore principale e Zhang l'autore corrispondente di un articolo che riporta la ricerca sulla rivista Scienze energetiche e ambientali .

La variazione di altezza tra gli strati di grafene in questi nuovi nanocompositi aiuta durante il ciclo elettrochimico della batteria, poiché la variazione di volume dello stagno migliora le prestazioni dell'elettrodo. Inoltre, questo comportamento accomodante significa che la batteria può essere caricata rapidamente e ripetutamente senza degradarsi, aspetto cruciale per le batterie ricaricabili dei veicoli elettrici.

"Abbiamo un vasto programma di batterie qui al Berkeley Lab, dove siamo in grado di realizzare celle altamente ciclabili. Attraverso le nostre interazioni nel programma Carbon Cycle 2.0, i ricercatori della Divisione Scienza dei Materiali beneficiano di strutture e personale per batterie di qualità, insieme alle nostre intuizioni su ciò che serve per realizzare un elettrodo migliore, " dice il coautore Battaglia, program manager nel dipartimento Advanced Energy Technology della divisione Environmental and Energy Technologies di Berkeley Lab. "In cambio, abbiamo uno sbocco per far conoscere questi requisiti agli scienziati che sviluppano la prossima generazione di materiali".