Un team di ingegneri della Kansas State University ha scoperto alcune delle importanti proprietà dell'ossido di grafene che possono migliorare le batterie flessibili agli ioni di sodio e di litio.

Gurpreet Singh, professore assistente di ingegneria meccanica e nucleare, e Lamuel David, dottorando in ingegneria meccanica, India, pubblicato i loro risultati nel Giornale di chimica fisica nell'articolo "Elettrodo di carta a ossido di grafene ridotto:effetto opposto della ricottura termica sulla ciclabilità di Li e Na".

L'ossido di grafene è una versione isolante e difettosa del grafene che può essere convertita in un conduttore o in un semiconduttore quando viene riscaldato. Singh e il suo team hanno studiato fogli di ossido di grafene come elettrodi di carta flessibili per batterie al sodio e agli ioni di litio.

I ricercatori hanno scoperto che la capacità di stoccaggio del sodio degli elettrodi di carta dipende dalla distanza tra i singoli strati che possono essere regolati riscaldandoli in argon o gas di ammoniaca. Per esempio, strati ridotti dell'ossido di grafene, o rGO, prodotti ad alta temperatura hanno una capacità di sodio vicina allo zero, mentre i fogli di ossido di grafene ridotto prodotti a 500 gradi C hanno la capacità massima.

"L'osservazione è importante perché la grafite, che è un precursore per la produzione di ossido di grafene, ha una capacità trascurabile per il sodio ed è stato a lungo escluso come elettrodo praticabile per batterie al sodio, " Ha detto Singh. "La grafite è il materiale di scelta nelle attuali batterie agli ioni di litio perché la spaziatura tra gli strati è perfetta per consentire agli ioni di litio di dimensioni più piccole di diffondersi dentro e fuori".

I ricercatori sono i primi a dimostrare che una carta flessibile composta interamente da fogli di ossido di grafene può caricarsi e scaricarsi con ioni sodio per più di 1, 000 cicli. Il sale di perclorato di sodio disciolto in carbonato di etilene fungeva da elettrolita nelle loro cellule.

"La maggior parte dei materiali per elettrodi al litio per batterie al sodio non può durare nemmeno per più di poche decine di cicli di carica e scarica perché il sodio è molto più grande del litio e provoca enormi cambiamenti di volume e danni al materiale ospite, " Ha detto Singh. "Questo design è unico perché la distanza tra i singoli strati di grafene è abbastanza grande da consentire un rapido inserimento ed estrazione degli ioni sodio, grazie agli atomi di ossigeno e idrogeno che impediscono la ricomposizione dei fogli."

Singh e il suo team hanno anche studiato il comportamento meccanico degli elettrodi realizzati con fogli ridotti di ossido di grafene. I ricercatori hanno misurato lo sforzo necessario per strappare gli elettrodi. Attraverso la videografia, hanno mostrato la capacità delle carte accartocciate all'ossido di grafene di sostenere grandi sforzi prima di fallire.

"Tali misurazioni e studio dei meccanismi di guasto sono importanti per la progettazione di batterie a lunga durata perché si desidera che l'elettrodo sia in grado di espandersi e contrarsi ripetutamente senza fratturarsi per migliaia di cicli, soprattutto per le batterie agli ioni metallici non al litio più grandi, " ha detto Singh. "In questi giorni, quasi tutti usano il grafene accartocciato come agente conduttore o supporto elastico o entrambi".

All'inizio di quest'anno, Singh e il suo team hanno dimostrato la sintesi su larga scala di fogli con pochi strati di disolfuro di molibdeno. Hanno anche dimostrato che la carta composita disolfuro di molibdeno/grafene ha il potenziale come elettrodo ad alta capacità per la batteria agli ioni di sodio. In quella ricerca, gli scienziati hanno usato il grafene come conduttore di elettroni per i fogli di bisolfuro di molibdeno e hanno osservato che il grafene è ampiamente inattivo nei confronti del sodio.

La loro ultima ricerca ha dimostrato che a differenza del sodio, la capacità di litio di rGO aumenta con l'aumentare della temperatura di sintesi di rGO raggiungendo il valore massimo per il campione prodotto a 900 gradi C.

"Solo ora ci rendiamo conto che la capacità di sodio del grafene, o rGO, dipende dalla sua temperatura di lavorazione, " Ha detto Singh. "I campioni rGO nel nostro studio precedente sono stati preparati a 900 gradi C."

Singh ha affermato che la ricerca sulle batterie al sodio e non al litio è importante per diversi motivi. Poiché l'attenzione si sposta dai veicoli ai sistemi di accumulo di energia stazionari e ai veicoli di grandi dimensioni, le batterie stazionarie devono essere più economiche, sicuro e rispettoso dell'ambiente. Per la sua grande abbondanza, il sodio è un potenziale candidato per la sostituzione delle batterie agli ioni di litio.

Concentrandosi sulle nanotecnologie, Singh e il suo team sono stati in grado di esplorare e progettare materiali in grado di immagazzinare ioni di sodio in modo reversibile e senza danni. Hanno trovato la loro risposta nell'ossido di grafene, che può ciclare gli ioni sodio per più di 1, 000 cicli.

Singh e il suo team continueranno a esplorare nuovi nanomateriali e si concentreranno su materiali che possono essere prodotti in serie in modo conveniente.

"Vorremmo eseguire studi fondamentali per comprendere le origini della perdita del primo ciclo, isteresi di tensione, e il degrado della capacità che sono comuni agli anodi delle batterie agli ioni metallici preparati da cristalli stratificati 2-D come i calcogenuri di metalli di transizione, grafene, eccetera., " ha detto Singh.

I ricercatori stanno anche esaminando altri nanomateriali che sono stati esclusi come elettrodi per batterie, come fogli di nitruro di boro e ceramiche a base di azoto di silicio.