La frustrazione ha portato alla rivelazione quando gli scienziati della Rice University hanno determinato come il grafene potrebbe essere utile per le batterie ad alta capacità.

I calcoli del laboratorio Rice del fisico teorico Boris Yakobson hanno scoperto che un anodo di grafene/boro dovrebbe essere in grado di contenere molto litio e funzionare a una tensione adeguata per l'uso nelle batterie agli ioni di litio. La scoperta appare nell'American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Le possibilità offerte dal grafene diventano ogni giorno più chiare man mano che i laboratori di tutto il mondo crescono e testano la forma di carbonio dello spessore di un atomo. Perché è il più sottile possibile, i produttori di batterie sperano di sfruttare l'enorme superficie del grafene per immagazzinare ioni di litio. Contando entrambi i lati del materiale, un grammo coprirebbe 2, 630 mq, o quasi la metà di un campo da calcio.

Ma c'è un problema. Gli ioni non si attaccano molto bene al grafene.

"Come spesso accade con il grafene, le persone hanno ipervenduto quanto sarebbe meraviglioso assorbire il litio, " disse Yakobson, il cui gruppo analizza le relazioni tra gli atomi in base alla loro energia intrinseca. "Ma negli esperimenti, non potevano vederlo, ed erano frustrati".

Scienziati dell'Honda Research Institute, che sono interessati a potenti batterie per auto elettriche, ha chiesto a Yakobson di esaminare la situazione. "Abbiamo esaminato la capacità teorica di un foglio ideale di grafene, e poi come potrebbe o non potrebbe beneficiare della curvatura (in un nanotubo) o dei difetti topologici. La nostra aspettativa iniziale era che avrebbe migliorato il legame al litio.

"Ma la teoria non ha mostrato alcun miglioramento significativo, " ha detto. "Sono rimasto deluso, ma gli sperimentalisti erano soddisfatti perché ora le loro osservazioni avevano un senso".

Calcoli che coinvolgono grafene con difetti, in cui l'array a nido d'ape è interrotto da poligoni a cinque e sette atomi, non è andata meglio. "Così abbiamo deciso di esplorare difetti di diverso tipo in cui sostituiamo alcuni atomi di carbonio con un altro elemento che crea siti più attraenti per il litio, " ha detto. "E il boro è uno di questi."

Un composto carbonio/boro in cui un quarto degli atomi di carbonio è sostituito da boro si è rivelato quasi ideale come modo per attivare la capacità del grafene di immagazzinare litio, ha detto Yakobson. Il boro attrae gli ioni di litio nella matrice, ma non così forte da non poter essere allontanati da un anodo di carbonio/boro da un catodo più attraente.

"Avere boro nel reticolo dà una rilegatura molto bella, quindi la capacità è abbastanza buona, due volte più grande della grafite, " l'elettrodo più comunemente usato nelle batterie commerciali agli ioni di litio, Egli ha detto. "Allo stesso tempo, anche la tensione è giusta."

Yakobson e Rice studente laureato Yuanyue Liu, primo autore del saggio, calcolato che un foglio completamente litiato di grafene/boro bidimensionale avrebbe una capacità di 714 milliampere/ora per grammo. Ciò si traduce in una densità di energia di 2, 120 wattora per chilogrammo, molto più grande della grafite, quando accoppiato con un catodo di ossido di litio cobalto commerciale. Hanno anche determinato che il materiale non si sarebbe espanso o contratto radicalmente mentre si caricava e scaricava.

"In questo caso, sembra abbastanza ragionevole e supera, in teoria, almeno, ciò che è disponibile ora, "Ha detto Yakobson.

Un passo importante sarà trovare un modo per sintetizzare il composto carbonio/boro in grandi quantità. "Esiste, ma non è disponibile in commercio, " Egli ha detto.