(Phys.org)—Un ricercatore della Kansas State University sta sviluppando modi più efficienti per risparmiare sui costi, tempo ed energia durante la creazione di nanomateriali e batterie agli ioni di litio.
Gurpreet Singh, professore assistente di ingegneria meccanica e nucleare, e il suo team di ricerca hanno pubblicato due articoli recenti su più recenti, metodi più economici e veloci per la creazione di nanomateriali che possono essere utilizzati per le batterie agli ioni di litio. Nell'anno passato, Singh ha pubblicato otto articoli, cinque dei quali riguardano la ricerca sulle batterie agli ioni di litio.
"Stiamo esplorando nuovi metodi per la sintesi rapida ed economica di materiali bidimensionali per applicazioni di batterie ricaricabili, " Singh ha detto. "Siamo interessati a questa ricerca perché la comprensione dell'interazione del litio con i materiali a doppio e multiplo strato ci consentiranno alla fine di progettare elettrodi per batterie per applicazioni pratiche. Ciò include batterie che mostrano una capacità migliorata, efficienza e maggiore durata."
Per le ultime ricerche, Il team di Singh ha creato film di grafene con uno spessore compreso tra due e 10 strati. Il grafene è un foglio di carbonio dello spessore di un atomo. I ricercatori hanno coltivato i film di grafene su fogli di rame e nichel riscaldandoli rapidamente in una fornace in presenza di quantità controllate di argon, idrogeno e gas metano. Il team è stato in grado di creare questi film in meno di 30 minuti. Il loro lavoro appare nel numero di gennaio di ACS-Applied Materials and Interfaces in un articolo intitolato "Sintesi di film di grafene mediante riscaldamento e tempra rapidi a pressioni ambientali e loro caratterizzazione elettrochimica".
La ricerca è significativa perché i ricercatori hanno creato questi fogli di grafene riscaldando e raffreddando rapidamente i substrati di rame e nichel a pressioni atmosferiche, il che significa che gli scienziati non hanno più bisogno del vuoto per creare film di grafene con pochi strati di spessore e possono risparmiare energia, tempo e costo, ha detto Singh.
I ricercatori hanno utilizzato questi film di grafene per creare l'elettrodo negativo di una cella agli ioni di litio e quindi hanno studiato le caratteristiche di carica e scarica di questa batteria ricaricabile. Hanno scoperto che i film di grafene cresciuti su rame non hanno fatto il ciclo degli ioni di litio e la capacità della batteria era trascurabile. Ma il grafene cresciuto su nichel ha mostrato prestazioni migliorate perché è stato in grado di immagazzinare e rilasciare ioni di litio in modo più efficiente.
"Riteniamo che questo comportamento si verifichi perché i fogli di grafene su nichel sono relativamente spessi vicino ai bordi dei grani e impilati in un modo ben definito, chiamato Bernal Stacking, che fornisce più siti per un facile assorbimento e rilascio di ioni di litio quando la batteria viene scaricata. e addebitato, " ha detto Singh.
In un secondo progetto di ricerca, i ricercatori hanno creato nanofogli di disolfuro di tungsteno con uno spessore di circa 10 strati. Partendo dalla polvere di disolfuro di tungsteno sfuso, che è un tipo di lubrificante secco utilizzato nell'industria automobilistica, il team è stato in grado di separare fogli spessi dello strato atomico di disolfuro di tungsteno in una soluzione acida forte. Questo semplice metodo ha permesso di produrre fogli in grandi quantità. Proprio come il grafene, il disolfuro di tungsteno ha anche una struttura atomica a strati, ma i singoli strati sono spessi tre atomi.
I ricercatori hanno scoperto che questi fogli di disolfuro di tungsteno trattati con acido potrebbero anche immagazzinare e rilasciare ioni di litio, ma in un modo diverso. Il litio viene immagazzinato attraverso una reazione di conversione in cui il disolfuro di tungsteno si dissocia per formare tungsteno e solfuro di litio quando la cella viene scaricata. A differenza del grafene, questa reazione comporta il trasferimento di almeno due elettroni per atomo di tungsteno. Questo è importante perché i ricercatori hanno a lungo ignorato composti come gli anodi delle batterie a causa della difficoltà associata all'aggiunta di litio a questi materiali, ha detto Singh. È solo di recente che gli anodi della batteria basati sulla reazione di conversione hanno guadagnato popolarità.
"Ci rendiamo conto anche che il disolfuro di tungsteno è un composto pesante rispetto alla grafite all'avanguardia utilizzata nelle attuali batterie agli ioni di litio, " Ha detto Singh. "Pertanto il disolfuro di tungsteno potrebbe non essere un materiale per elettrodi ideale per le batterie portatili".
La ricerca è apparsa in un recente numero del Journal of Physical Chemistry Letters in un articolo intitolato "Sintesi di nanofogli WS2 funzionalizzati in superficie e prestazioni come anodi di batterie agli ioni di litio".
Entrambi i progetti sono importanti perché possono aiutare gli scienziati a creare nanomateriali in modo conveniente. Mentre molti studi si sono concentrati sulla produzione di grafene utilizzando processi chimici a bassa pressione, sono state tentate poche ricerche utilizzando il riscaldamento e il raffreddamento rapidi a pressioni atmosferiche, ha detto Singh. Allo stesso modo, per altre applicazioni sono necessarie grandi quantità di fogli spessi a strato singolo e multiplo di disolfuro di tungsteno.
"Interessante, per la maggior parte delle applicazioni che comportano questo tipo di ricerca sulle batterie e prevenzione della corrosione, film dello spessore di pochi atomi di solito sono sufficienti, " Singh ha detto. "Pellicole di altissima qualità su un'ampia area di un solo atomo di spessore non sono una necessità".
Singh pianifica ricerche future per studiare come questi nanomateriali stratificati possono creare elettrodi migliori sotto forma di eterostrutture, che sono essenzialmente strutture impilate tridimensionali che coinvolgono strati alternati di grafene e tungsteno o bisolfuro di molibdeno.
