La chiave per cellulari migliori e altri dispositivi elettronici ricaricabili potrebbe essere in piccoli "sandwich" fatti di nanofogli, secondo una ricerca di ingegneria meccanica della Kansas State University.

Gurpreet Singh, professore assistente di ingegneria meccanica e nucleare, e il suo team di ricerca stanno migliorando le batterie ricaricabili agli ioni di litio. Il team si è concentrato sul ciclo del litio del bisolfuro di molibdeno, o MoS2, fogli, che Singh descrive come un "sandwich" di un atomo di molibdeno tra due atomi di zolfo.

Nelle ultime ricerche, il team ha scoperto che i fogli di bisolfuro di molibdeno avvolti in carbonitruro di silicio mostrano una stabilità migliorata come elettrodo di batteria con poca capacità di sbiadire.

I risultati appaiono in Nature's Rapporti scientifici nell'articolo "Carta composita MoS2 funzionalizzata derivata da polimeri ceramici come elettrodo stabile per batterie agli ioni di litio". Altri ricercatori della Kansas State University coinvolti includono Lamuel David, dottorando in ingegneria meccanica, India; Uriel Barrera, senior in ingegneria meccanica, olate; e Romil Bhandavat, Dottore di ricerca 2013 in ingegneria meccanica.

In questa ultima pubblicazione, Il team di Singh ha osservato che i fogli di bisolfuro di molibdeno immagazzinano più del doppio di litio, o carica, rispetto al disolfuro di molibdeno sfuso riportato in studi precedenti. I ricercatori hanno anche scoperto che l'elevata capacità di litio di questi fogli non dura a lungo e diminuisce dopo cinque cicli di ricarica.

"Questo tipo di comportamento è simile a un tipo di batteria al litio-zolfo, che usa lo zolfo come uno dei suoi elettrodi, " Ha detto Singh. "Lo zolfo è notoriamente famoso per la formazione di polisolfuri intermedi che si dissolvono nell'elettrolita organico della batteria, che porta alla diminuzione della capacità. Riteniamo che il calo di capacità osservato nei fogli di bisolfuro di molibdeno sia dovuto anche alla perdita di zolfo nell'elettrolita".

Per ridurre la dissoluzione dei prodotti a base di zolfo nell'elettrolita, i ricercatori hanno avvolto i fogli di bisolfuro di molibdeno con alcuni strati di una ceramica chiamata carbonitruro di silicio, o SiCN. La ceramica è ad alta temperatura, materiale vetroso preparato riscaldando polimeri liquidi a base di silicio e ha una resistenza chimica molto più elevata nei confronti dell'elettrolita liquido, ha detto Singh.

"I fogli di bisolfuro di molibdeno avvolti in carbonitruro di silicio mostrano un ciclo stabile degli ioni di litio indipendentemente dal fatto che l'elettrodo della batteria sia su un metodo tradizionale di lamina di rame o su una carta flessibile autoportante come nelle batterie pieghevoli, " ha detto Singh.

Dopo le reazioni, il team di ricerca ha anche dissimulato e osservato le cellule al microscopio elettronico, che ha fornito la prova che il carbonitruro di silicio proteggeva dalla degradazione meccanica e chimica con l'elettrolita organico liquido.

Singh e il suo team ora vogliono capire meglio come potrebbero comportarsi le cellule di bisolfuro di molibdeno in un dispositivo elettronico di tutti i giorni, come un cellulare, che viene ricaricato centinaia di volte. I ricercatori continueranno a testare le celle al bisolfuro di molibdeno durante i cicli di ricarica per avere più dati da analizzare e per capire meglio come migliorare le batterie ricaricabili.

Altre ricerche del team di Singh potrebbero aiutare a migliorare i rivestimenti ad alta temperatura per il settore aerospaziale e della difesa. Gli ingegneri stanno sviluppando un materiale di rivestimento per proteggere i materiali degli elettrodi da condizioni difficili, come pale di turbine e metalli sottoposti a calore intenso.

La ricerca appare nel Journal of Physical Chemistry. I ricercatori hanno dimostrato che quando si combinano nanofogli di carbonitruro di silicio e nitruro di boro, hanno stabilità alle alte temperature e una migliore conduttività elettrica. Inoltre, questi nanofogli di carbonitruro di silicio/nitruro di boro sono elettrodi per batterie migliori, ha detto Singh.

"Questo è stato abbastanza sorprendente perché sia ​​il carbonitruro di silicio che il nitruro di boro sono isolanti e hanno poca capacità reversibile per gli ioni di litio, Singh ha detto. "Ulteriori analisi hanno mostrato che la conduttività elettrica è migliorata a causa della formazione di una rete di percolazione di atomi di carbonio nota come 'carbonio libero' che è presente nella fase ceramica di carbonitruro di silicio. Ciò si verifica solo quando i fogli di nitruro di boro vengono aggiunti al precursore di carbonitruro di silicio nella sua fase polimerica liquida prima che si raggiunga l'indurimento".