Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory hanno scoperto che le batterie agli ioni di litio funzionano più a lungo e più velocemente quando i loro elettrodi vengono trattati con idrogeno.

Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono una classe di tipi di batterie ricaricabili in cui gli ioni di litio si spostano dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo durante la scarica e ritornano durante la carica.

La crescente domanda di accumulo di energia sottolinea l'urgente necessità di batterie ad alte prestazioni. Diverse caratteristiche chiave delle prestazioni delle batterie agli ioni di litio:capacità, la tensione e la densità di energia sono determinate in ultima analisi dal legame tra gli ioni di litio e il materiale dell'elettrodo. Sottili cambiamenti nella struttura, la chimica e la forma di un elettrodo possono influenzare in modo significativo la forza con cui gli ioni di litio si legano ad esso.

Attraverso esperimenti e calcoli, il team di Livermore ha scoperto che gli elettrodi in nanoschiuma di grafene trattati con idrogeno nei LIB mostrano una maggiore capacità e un trasporto più veloce.

"Questi risultati forniscono approfondimenti qualitativi per aiutare la progettazione di materiali a base di grafene per elettrodi ad alta potenza, " ha detto Morris Wang, uno scienziato dei materiali LLNL e coautore di un articolo apparso nell'edizione del 5 novembre di Nature Rapporti scientifici .

Le batterie agli ioni di litio stanno diventando sempre più popolari per i veicoli elettrici e le applicazioni aerospaziali. Per esempio, le batterie agli ioni di litio stanno diventando un sostituto comune per le batterie al piombo che sono state utilizzate storicamente per golf cart e veicoli commerciali. Invece di pesanti piastre di piombo ed elettroliti acidi, la tendenza è quella di utilizzare pacchi batteria leggeri agli ioni di litio in grado di fornire la stessa tensione delle batterie al piombo senza richiedere modifiche al sistema di guida del veicolo.

Applicazioni commerciali di materiali in grafene per dispositivi di accumulo di energia, comprese batterie agli ioni di litio e supercondensatori, dipendono in modo critico dalla capacità di produrre questi materiali in grandi quantità ea basso costo. Però, i metodi di sintesi chimica frequentemente utilizzati lasciano dietro di sé quantità significative di idrogeno atomico, il cui effetto sulle prestazioni elettrochimiche dei derivati ​​del grafene è difficile da determinare.

Eppure gli scienziati di Livermore hanno fatto proprio questo. I loro esperimenti e calcoli multiscala rivelano che il trattamento deliberato a bassa temperatura del grafene ricco di difetti con l'idrogeno può effettivamente migliorare la capacità di velocità. L'idrogeno interagisce con i difetti del grafene e apre piccoli spazi per facilitare la penetrazione del litio, che migliora il trasporto. La capacità reversibile aggiuntiva è fornita da una legatura al litio potenziata vicino ai bordi, dove è più probabile che l'idrogeno si leghi.

"Il miglioramento delle prestazioni che abbiamo visto negli elettrodi è una svolta che ha applicazioni nel mondo reale, " disse Jianchao Ye, che è uno scienziato dello staff postdoc presso la divisione di scienza dei materiali del laboratorio, e l'autore principale del documento.

Per studiare il coinvolgimento dell'idrogeno e dei difetti idrogenati nella capacità di stoccaggio del litio del grafene, il team ha applicato varie condizioni di trattamento termico combinate con l'esposizione all'idrogeno e ha esaminato le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi 3-D in nanoschiuma di grafene (GNF), che sono costituiti principalmente da grafene difettoso. Il team ha utilizzato nanoschiume di grafene 3D per le loro numerose potenziali applicazioni, compreso lo stoccaggio dell'idrogeno, catalisi, filtrazione, isolamento, assorbenti energetici, dissalazione capacitiva, supercondensatori e LIB.

La natura priva di leganti della schiuma 3D di grafene li rende ideali per studi meccanicistici senza le complicazioni causate dagli additivi.

"Abbiamo riscontrato una capacità di velocità notevolmente migliorata negli elettrodi in nanoschiuma di grafene dopo il trattamento con idrogeno. Combinando i risultati sperimentali con simulazioni dettagliate, siamo stati in grado di tracciare i miglioramenti alle sottili interazioni tra i difetti e l'idrogeno dissociato. Ciò si traduce in alcune piccole modifiche alla chimica e alla morfologia del grafene che si rivelano avere un effetto sorprendentemente enorme sulle prestazioni, " ha detto lo scienziato LLNL Brandon Wood, che ha diretto lo sforzo teorico sulla carta.

La ricerca suggerisce che il trattamento controllato dell'idrogeno può essere utilizzato come strategia per ottimizzare il trasporto del litio e lo stoccaggio reversibile in altri materiali anodici a base di grafene.