I ricercatori dell'AIST, in collaborazione con l'Università di Osaka, il Politecnico di Tokyo, l'Università di Kyushu e l'Università Nazionale Tsing Hua, hanno sviluppato una tecnica per inserire metalli alcalini negli strati intermedi del grafene, che è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale . Sono riusciti a osservare direttamente la disposizione atomica degli atomi di metalli alcalini inseriti, che è una struttura esagonale a doppio strato compattata.
Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Communications .
Le prestazioni delle batterie ricaricabili sono un fattore chiave che influenza la distanza di guida dei veicoli elettrici e il tempo di utilizzo degli smartphone. Migliorare le prestazioni di questi dispositivi elettronici è possibile se le batterie ricaricabili riescono ad accumulare maggiori capacità elettriche.
La grafite, il materiale degli elettrodi utilizzato nelle batterie, è composto da multistrati di grafene, con metalli alcalini posizionati tra gli strati per facilitare il flusso di elettroni durante la carica e la scarica. Il raggiungimento di un'elevata densità di stoccaggio dei metalli alcalini tra gli strati di grafene potrebbe aumentare la capacità elettrica.
Negli ultimi cento anni, è stato ampiamente riconosciuto attraverso misurazioni di raggi X e diffrazione elettronica che gli strati intermedi di grafene possono ospitare solo un singolo strato di metallo alcalino. Ogni strato completamente riempito da atomi di metalli alcalini a strato singolo è considerato il limite di carica teorico.
Tuttavia, non sono stati riportati studi che osservassero direttamente la disposizione atomica dei metalli alcalini interstrato e verificassero se gli strati di grafene possono ospitare solo un singolo strato di atomi di metalli alcalini o se altre tecniche possono ottenere densità più elevate o più strati di metalli alcalini.
Il gruppo di ricerca ha sviluppato una tecnica per inserire metalli alcalini densi tra gli strati di grafene. Utilizzando un microscopio elettronico a bassa tensione (60 kV) ad alte prestazioni, hanno osservato con successo la struttura della disposizione degli atomi di metalli alcalini tra gli strati di grafene. I metalli alcalini si trovano densamente impacchettati in una struttura a due strati sia nel doppio strato di grafene che nello strato superficiale di grafite grazie alla capacità di estensione flessibile della spaziatura tra gli strati.
Ciò consente di inserire circa il doppio dei metalli alcalini. Se è possibile sovrapporre il grafene con due strati di inserimento di metallo alcalino, si prevede che possa fungere da materiale per elettrodi migliorando la capacità delle batterie secondarie a ioni alcalini.
Ulteriori informazioni: Yung-Chang Lin et al, Intercalazione del doppio strato di metalli alcalini nel grafene, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44602-3
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