Assomigliano a gusci d'uovo rotti, strutture di grafene costruite attorno a bolle hanno prodotto una batteria al litio-aria con la più alta capacità energetica fino ad oggi, secondo gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory e della Princeton University. questo nero, materiale poroso potrebbe sostituire i tradizionali fogli di grafene lisci nelle batterie al litio-aria, che si intasano con minuscole particelle durante l'uso. Come bonus aggiuntivo, il nuovo materiale del team non si basa su platino o altri metalli preziosi, riducendone i costi potenziali e l'impatto ambientale.

"Questa struttura gerarchica di fogli di grafene autoassemblati è un design ideale non solo per le batterie al litio-aria, ma anche per molte altre potenziali applicazioni energetiche, " ha detto il dottor Jie Xiao, lo scienziato dei materiali al PNNL che ha guidato lo studio.

Le batterie al litio-aria potrebbero consentire la creazione di veicoli elettrici a lungo raggio, in grado di percorrere fino a 300 miglia tra una carica e l'altra. Relativamente leggero, le batterie al litio-aria soffrono ancora di una capacità pratica limitata e di problemi di durata del ciclo scadente. Però, questo studio ha mostrato come massimizzare la capacità delle batterie.

"Questo è fondamentale per le applicazioni, compresi i veicoli elettrici e l'accumulo di energia, " ha detto il dottor Jun Liu, uno scienziato dei materiali nello studio e direttore della Transformational Materials Science Initiative del PNNL, che ha finanziato la ricerca.

Il team ha iniziato combinando un agente legante con il grafene, una forma speciale di carbonio. L'agente legante ha disperso il grafene in soluzione, come il sapone disperde il grasso nell'acqua dei piatti. Il grafene e il legante sono stati quindi aggiunti all'acqua e miscelati utilizzando un processo che creava bolle all'interno della soluzione. Il grafene e il legante si sono formati e si sono induriti attorno alle bolle. Quando alla fine le bolle sono scoppiate, sono rimaste delle sfere cave di grafene. Le minuscole particelle nere hanno un diametro di soli 3-4 micron, dieci volte più piccolo di un capello umano.

Utilizzando sia la modellazione che la microscopia, gli scienziati hanno analizzato le strutture del grafene e le loro prestazioni. Hanno eseguito calcoli della teoria del funzionale della densità sul sistema di supercalcolo presso il National Energy Research Scientific Computing Center. Hanno studiato le particelle utilizzando la microscopia elettronica presso il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali.

I ricercatori hanno scoperto che le strutture porose nere immagazzinano più di 15, 000 milliampere ore per grammo di grafene, rendendolo molto più denso in termini di capacità energetica rispetto ad altri materiali.

"Ora vengono studiati molti catalizzatori per questa tecnologia. Nel nostro processo abbiamo scelto di non utilizzare metalli preziosi, " ha detto il dottor Ji-Guang Zhang, il leader del gruppo nella ricerca sulle batterie al litio del PNNL. "Ciò ridurrà notevolmente i costi di produzione e aumenterà l'adozione".

La batteria sta raggiungendo i massimi livelli di capacità energetica in un ambiente di solo ossigeno. In caso di funzionamento in aria ambiente, la capacità diminuisce perché l'acqua nell'aria sporca il metallo di litio nelle batterie. Il team del PNNL sta lavorando per sviluppare una membrana per bloccare l'acqua e consentire comunque il flusso dell'ossigeno necessario

"Vogliamo anche rendere la batteria ricaricabile, " disse Zhang. "In questo momento, non è. Non è completamente ricaricabile. Stiamo lavorando su un nuovo elettrolita e un nuovo catalizzatore in modo che la batteria possa essere ricaricata più volte, potenzialmente per applicazioni di backup della batteria che richiedono densità di energia elevate."