Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een composietmateriaal van grafeen en tin gemaakt voor energieopslag met hoge capaciteit in hernieuwbare lithium-ionbatterijen. Door tin in te kapselen tussen vellen grafeen, de onderzoekers construeerden een nieuwe, lichtgewicht "sandwich" -structuur die de prestaties van de batterij zou moeten verbeteren.

"Voor een elektrisch voertuig je een lichtgewicht batterij nodig hebt die snel kan worden opgeladen en zijn laadcapaciteit behoudt na herhaaldelijk fietsen, " zegt Yuegang Zhang, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, in de faciliteit voor anorganische nanostructuren, die dit onderzoek leidde. "Hier, we hebben het rationele ontwerp van een architectuur op nanoschaal laten zien, die geen additief of bindmiddel nodig heeft om te werken, om de batterijprestaties te verbeteren."

Grafeen is een enkel atoom dik, "kippengaas" rooster van koolstofatomen met stellaire elektronische en mechanische eigenschappen, veel verder dan silicium en andere traditionele halfgeleidermaterialen. Eerder werk aan grafeen door Zhang en zijn collega's legde de nadruk op toepassingen van elektronische apparaten.

In dit onderzoek, het team assembleerde afwisselende lagen grafeen en tin om een ​​composiet op nanoschaal te creëren. Om het composietmateriaal te maken, een dunne film van tin wordt afgezet op grafeen. Volgende, een ander vel grafeen wordt bovenop de tinfilm overgebracht. Dit proces wordt herhaald om een ​​composietmateriaal te maken, die vervolgens wordt verwarmd tot 300˚ Celsius (572˚ Fahrenheit) in een waterstof- en argonomgeving. Tijdens deze warmtebehandeling de tinnen film verandert in een reeks pilaren, het vergroten van de hoogte van de tinlaag.

"De vorming van deze tinnen nanopilaren uit een dunne film is heel bijzonder voor dit systeem, en we vinden dat de afstand tussen de bovenste en onderste grafeenlagen ook verandert om de hoogteverandering van de tinlaag op te vangen, " zegt Liwen Ji, een postdoctoraal onderzoeker bij de Foundry. Ji is de hoofdauteur en Zhang de corresponderende auteur van een paper dat het onderzoek in het tijdschrift rapporteert Energie- en milieuwetenschappen .

De hoogteverandering tussen de grafeenlagen in deze nieuwe nanocomposieten helpt tijdens elektrochemische cycli van de batterij, omdat de volumeverandering van tin de prestaties van de elektrode verbetert. In aanvulling, dit accommoderende gedrag betekent dat de batterij snel en herhaaldelijk kan worden opgeladen zonder degradatie - cruciaal voor oplaadbare batterijen in elektrische voertuigen.

"We hebben hier bij Berkeley Lab een groot batterijprogramma, waar we in staat zijn om zeer recyclebare cellen te maken. Door onze interacties in het Carbon Cycle 2.0-programma, de onderzoekers van de Materials Science Division profiteren van hoogwaardige batterijfaciliteiten en personeel, samen met onze inzichten in wat er nodig is om een ​​betere elektrode te maken, " zegt co-auteur Battaglia, programmamanager bij de afdeling Advanced Energy Technology van Berkeley Lab's Environmental and Energy Technologies Division. "In ruil, we hebben een uitlaatklep om deze vereisten naar wetenschappers te sturen die de volgende generatie materialen ontwikkelen."