(Phys.org)—Quando Ovadia Lev, Professore di Chimica Ambientale e Salute presso l'Università Ebraica di Gerusalemme, e il suo team di ricerca ha sviluppato una nuova tecnologia di rivestimento alcuni anni fa, pensavano che fosse un risultato interessante della loro ricerca sulle soluzioni di perossido di idrogeno. Però, non erano sicuri di cosa farne finché non hanno incontrato un team di ricercatori alla ricerca di un modo semplice per sintetizzare nuovi materiali anodici per batterie agli ioni di litio, come i compositi grafene-ossido di stagno.

"Da diversi anni ormai, il mio laboratorio, in collaborazione con il mio ex studente post-dottorato e attuale partner di ricerca, Dott. Petr Prikhodchenko, ha svolto ricerche sulla chimica sol-gel in soluzioni ricche di perossido di idrogeno, "Lev ha detto Phys.org . "Uno dei risultati di questa ricerca è stata una tecnologia per rivestire il particolato con punti nanometrici di ossido di metallo. Abbiamo iniziato a cercare un'applicazione dimostrativa accattivante che portasse alla luce i vantaggi della nostra procedura di rivestimento. In un certo senso, avevamo una medicina e stavamo cercando una malattia adatta.

"Quindi, il mio laboratorio è stato coinvolto in una collaborazione tra Israele e Singapore supportata dalla Singapore National Research Foundation nell'ambito del suo programma CREATE:Nanomaterials for Energy and Water Management, e i nostri partner di Singapore si sono presto resi conto che gli anodi delle batterie agli ioni di litio possono trarre grandi vantaggi dalla flessibilità e dalla semplicità del nostro approccio al rivestimento del particolato."

I ricercatori sulle batterie trovano l'ossido di grafene-stagno attraente come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio per tre motivi principali:ha un'elevata capacità di carica teorica, il grafene ha un'alta conduttività, e i nanocristalli di ossido di grafene e di ossido di stagno sono in stretto contatto.

Il problema è che sintetizzando questi compositi, che comporta il rivestimento di uno strato ultrasottile di nanocristalli di ossido di stagno su un foglio di ossido di grafene, è stato precedentemente un costoso, processo ad alta temperatura. Ma utilizzando la nuova tecnologia di rivestimento, i ricercatori hanno scoperto che potevano sintetizzare compositi grafene-ossido di stagno a temperatura ambiente, senza complicate infrastrutture, a costo ridotto, e nel rispetto dell'ambiente.

lev, Prichodchenko, e i loro coautori, da istituzioni in Israele, Russia, e Singapore, hanno pubblicato il loro studio sul metodo di sintesi migliorato in un recente numero di Nanotecnologia .

Come spiegano i ricercatori, la nuova tecnologia di rivestimento del particolato utilizza il perossido di idrogeno per indurre la formazione e la deposizione di nanocristalli di ossido di stagno sull'ossido di grafene. In uno studio precedente, i ricercatori hanno scoperto che il perossido di idrogeno favorisce la formazione di un rivestimento di ossido di stagno attraverso diversi meccanismi chimici, come promuovere il legame e prevenire l'aggregazione delle particelle.

Utilizzando questa tecnica di rivestimento, qui i ricercatori hanno raggiunto una dimensione media dei nanocristalli di ossido di stagno di soli 2,5 nm, che è significativamente inferiore alla dimensione di 4 nm precedentemente raggiunta. La piccola dimensione diminuisce la deformazione causata dalla lega di litio, che a sua volta migliora le prestazioni del ciclo di carica/scarica.

Per dimostrare le prestazioni dei compositi nelle batterie, i ricercatori hanno utilizzato l'ossido di grafene-stagno per preparare due tipi di anodi agli ioni di litio:ossido di grafene con un rivestimento di ossido di stagno, e ossido di grafene con un rivestimento di ossido di stagno e stagno. Entrambi gli anodi hanno mostrato un'elevata capacità (a partire da circa 1500 mAhg ^-1 ) che supera la capacità teorica prevista, anche se è sceso a circa 700 mAhg ^-1 dopo 90 cicli. Entrambi gli anodi hanno anche mostrato una ciclabilità stabile di carica/scarica grazie all'intimo contatto tra il grafene conduttivo e nanocristalli di ossido di stagno molto piccoli. Il composito senza stagno ha mostrato una maggiore capacità di carica ma una stabilità leggermente inferiore dopo cicli di carica/scarica prolungati rispetto al composito rivestito sia con l'ossido di stagno che con lo stagno, che i ricercatori attribuiscono a una differenza di trattamento termico piuttosto che alla differenza di composizione.

Lev ha spiegato come gli anodi di ossido di grafene-stagno si inseriscono nel quadro generale dell'attuale ricerca sulle batterie agli ioni di litio.

"Le batterie agli ioni di litio sono sviluppate in diverse direzioni parallele, mirando al miglioramento della capacità di ricarica, densità di energia specifica, tariffe di carica e scarica, durata della batteria e sbiadimento della carica, sicurezza della batteria, e soprattutto il costo della batteria, che richiede un processo di produzione a basso costo da materie prime a basso costo, " ha detto. "Ogni applicazione di batterie ricaricabili dovrebbe avere una diversa funzione target di ottimizzazione risultante in una diversa composizione delle celle. Per esempio, lo sbiadimento della carica è tollerato in modo diverso nei giocattoli e negli smartphone, e le due diverse popolazioni di consumatori saranno disposte a pagare in modo diverso per una maggiore durata della batteria.

"Il nostro nuovo approccio mira solo a due di questi aspetti:capacità di carica superiore, che è oltre il doppio di quello degli anodi di grafite, e a basso costo, che si manifesta in materie prime a basso costo e nella lavorazione della chimica umida".

Nel futuro, gli scienziati hanno in programma di espandere la loro ricerca ad altre composizioni di elettrodi che potrebbero trarre vantaggio dalla lavorazione del perossido di idrogeno sol-gel.

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