I nastri ibridi di ossido di vanadio (VO2) e grafene possono accelerare lo sviluppo di batterie agli ioni di litio ad alta potenza adatte per auto elettriche e altre applicazioni impegnative.

Il laboratorio dei materiali della Rice University, lo scienziato Pulickel Ajayan, ha stabilito che il materiale ben studiato è un catodo superiore per le batterie che potrebbe fornire sia un'elevata densità di energia che una significativa densità di potenza. La ricerca appare online questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

I nastri creati alla Rice sono migliaia di volte più sottili di un foglio di carta, tuttavia hanno un potenziale che supera di gran lunga i materiali attuali per la loro capacità di caricarsi e scaricarsi molto rapidamente. I catodi integrati nelle semicelle per i test alla Rice si caricano e si scaricano completamente in 20 secondi e conservano oltre il 90% della loro capacità iniziale dopo più di 1, 000 cicli.

"Questa è la direzione in cui sta andando la ricerca sulle batterie, non solo per qualcosa con alta densità di energia ma anche alta densità di potenza, " Ha detto Ajayan. "È da qualche parte tra una batteria e un supercondensatore."

I nastri hanno anche il vantaggio di utilizzare materiali relativamente abbondanti ed economici. "Questo viene fatto attraverso un processo idrotermale molto semplice, e penso che sarebbe facilmente scalabile a grandi quantità, " Egli ha detto.

Ajayan ha affermato che l'ossido di vanadio è stato a lungo considerato un materiale con un grande potenziale, e infatti il ​​pentossido di vanadio è stato utilizzato nelle batterie agli ioni di litio per la sua particolare struttura e l'elevata capacità. Ma gli ossidi sono lenti a caricarsi e scaricarsi, a causa della loro bassa conducibilità elettrica. Il reticolo di grafene ad alta conduttività che viene letteralmente cotto risolve bene il problema, Egli ha detto, fungendo da rapido condotto per gli elettroni e canali per gli ioni.

I sottilissimi fogli di grafene legati ai cristalli occupano pochissimo volume. Nei migliori campioni realizzati a Rice, l'84 percento del peso del catodo era costituito dal VO2 che consumava litio. che conteneva 204 milliampere ore di energia per grammo. I ricercatori, guidato dallo studente laureato della Rice Yongji Gong e dall'autore principale Shubin Yang, hanno affermato di ritenere che sia tra le migliori prestazioni complessive mai viste per gli elettrodi delle batterie agli ioni di litio.

"Una sfida per la produzione è stata il controllo delle condizioni per la co-sintesi dei nastri VO2 con il grafene, " Yang ha detto. Il processo ha comportato la sospensione di nanofogli di ossido di grafene con pentossido di vanadio in polvere (ossido di vanadio stratificato, con due atomi di vanadio e cinque di ossigeno) in acqua e scaldandola in autoclave per ore. Il pentossido di vanadio è stato completamente ridotto a VO2, che si cristallizzava in nastri, mentre l'ossido di grafene è stato ridotto a grafene, ha detto Yang. I nastri, con un rivestimento simile a una rete di grafene, erano spessi solo circa 10 nanometri, fino a 600 nanometri di larghezza e decine di micrometri di lunghezza.

"Questi nastri erano gli elementi costitutivi dell'architettura tridimensionale, " Yang ha detto. "Questa struttura unica è stata favorevole per la diffusione ultraveloce sia degli ioni di litio che degli elettroni durante i processi di carica e scarica. È stata la chiave per il raggiungimento di eccellenti prestazioni elettrochimiche."

Nel testare il nuovo materiale, Yang e Gong hanno scoperto che la sua capacità di immagazzinamento del litio è rimasta stabile dopo 200 cicli anche ad alte temperature (167 gradi Fahrenheit) a cui altri catodi comunemente decadono, anche a bassi tassi di carica-scarica.

"Pensiamo che questo sia un vero progresso nello sviluppo di materiali catodici per batterie agli ioni di litio ad alta potenza, "Ajayan ha detto, suggerendo che la capacità dei nastri di essere dispersi in un solvente potrebbe renderli adatti come componente nelle batterie verniciabili sviluppate nel suo laboratorio.