(Phys.org) —Un ingegnere della Kansas State University ha fatto un passo avanti nelle applicazioni delle batterie ricaricabili.

Gurpreet Singh, professore assistente di ingegneria meccanica e nucleare, e i suoi studenti ricercatori sono i primi a dimostrare che una carta composita, composta da bisolfuro di molibdeno interfogliato e nanofogli di grafene, può essere sia un materiale attivo per immagazzinare in modo efficiente atomi di sodio sia un collettore di corrente flessibile. La carta composita di nuova concezione può essere utilizzata come elettrodo negativo nelle batterie agli ioni di sodio.

"La maggior parte degli elettrodi negativi per le batterie agli ioni di sodio utilizzano materiali che subiscono una reazione di "lega" con il sodio, " Ha detto Singh. "Questi materiali possono gonfiarsi fino al 400-500 percento quando la batteria viene caricata e scaricata, che può provocare danni meccanici e perdita di contatto elettrico con il collettore di corrente."

"Disolfuro di molibdeno, il principale costituente dell'elettrodo di carta, offre un nuovo tipo di chimica con ioni sodio, che è una combinazione di intercalazione e una reazione di tipo di conversione, " Singh ha detto. "L'elettrodo di carta offre una capacità di carica stabile di 230 mAh.g-1, rispetto al peso totale dell'elettrodo. Ulteriore, la struttura interlacciata e porosa dell'elettrodo di carta offre canali lisci per la diffusione del sodio all'interno e all'esterno mentre la cella viene caricata e scaricata rapidamente. Questo design elimina anche i leganti polimerici e la lamina del collettore di corrente in rame utilizzati in un elettrodo della batteria tradizionale".

La ricerca compare nell'ultimo numero della rivista ACS Nano nell'articolo "Carta composita MoS2/grafene per elettrodi per batterie agli ioni di sodio".

Negli ultimi due anni i ricercatori hanno sviluppato nuovi metodi per la sintesi rapida ed economica di materiali bidimensionali atomicamente sottili:grafene, molibdeno e disolfuro di tungsteno, in quantità di grammi, in particolare per applicazioni con batterie ricaricabili.

Per le ultime ricerche, gli ingegneri hanno creato una carta composita di grandi dimensioni che consisteva di bisolfuro di molibdeno stratificato trattato con acido e grafene chimicamente modificato in una struttura interlacciata. La ricerca segna la prima volta che un elettrodo di carta così flessibile è stato utilizzato in una batteria agli ioni di sodio come anodo che funziona a temperatura ambiente. La maggior parte delle batterie al sodio-zolfo commerciali opera vicino a 300 gradi Celsius, ha detto Singh.

Singh ha affermato che la ricerca è importante per due motivi:

1. La sintesi di grandi quantità di materiali 2-D a uno o pochi strati di spessore è fondamentale per comprendere il vero potenziale commerciale di materiali come i dicalcogenuri di metalli di transizione, o TMD, e grafene.

2. Comprensione fondamentale di come il sodio viene immagazzinato in un materiale stratificato attraverso meccanismi diversi dalla convenzionale intercalazione e reazione di lega. Inoltre, l'utilizzo del grafene come supporto flessibile e collettore di corrente è fondamentale per eliminare la lamina di rame e realizzare batterie ricaricabili più leggere e pieghevoli. A differenza del litio, le forniture di sodio sono essenzialmente illimitate e le batterie dovrebbero essere molto più economiche.

"Dal punto di vista della sintesi, abbiamo dimostrato che alcuni dicalcogenuri di metalli di transizione possono essere esfoliati in acidi forti, " ha detto Singh. "Questo metodo dovrebbe consentire la sintesi di quantità di grammi di fogli di bisolfuro di molibdeno di pochi strati di spessore, che è molto cruciale per applicazioni come batterie flessibili, supercondensatori, e compositi polimerici. Per tali applicazioni, Sono sufficienti scaglie di TMD dello spessore di pochi atomi. I fiocchi monostrato di altissima qualità non sono una necessità."

I ricercatori stanno lavorando per commercializzare la tecnologia, con l'assistenza dell'Istituto di Commercializzazione dell'Università. Stanno anche esplorando lo stoccaggio di litio e sodio in altri nanomateriali.