Frustratie leidde tot openbaring toen wetenschappers van Rice University bepaalden hoe grafeen bruikbaar zou kunnen worden gemaakt voor batterijen met een hoge capaciteit.

Berekeningen door het Rice-lab van theoretisch fysicus Boris Yakobson vonden dat een grafeen/boriumanode veel lithium moet kunnen bevatten en bij een juiste spanning moet presteren voor gebruik in lithium-ionbatterijen. De ontdekking verschijnt in het tijdschrift van de American Chemical Society Journal of Physical Chemistry Letters .

De mogelijkheden van grafeen worden met de dag duidelijker naarmate laboratoria over de hele wereld groeien en de één-atoom-dikke vorm van koolstof testen. Omdat het zo dun mogelijk is, batterijfabrikanten hopen te profiteren van het enorme oppervlak van grafeen om lithiumionen op te slaan. Beide kanten van het materiaal tellen, een gram zou 2 dekken, 630 vierkante meter, of bijna een half voetbalveld.

Maar er is een probleem. De ionen hechten niet zo goed aan grafeen.

"Zoals vaak gebeurt met grafeen, mensen oversold hoe geweldig het zou zijn om lithium te absorberen, " zei Yakobson, wiens groep de relaties tussen atomen analyseert op basis van hun intrinsieke energie. "Maar bij experimenten ze konden het niet zien, en ze waren gefrustreerd."

Wetenschappers van het Honda Research Institute, die geïnteresseerd zijn in krachtige batterijen voor elektrische auto's, vroeg Yakobson om de situatie te bekijken. "We hebben gekeken naar de theoretische capaciteit van een ideale plaat grafeen, en hoe het wel of niet kan profiteren van kromming (in een nanobuisje) of topologische defecten. Onze aanvankelijke verwachting was dat het de lithiumbinding zou verbeteren.

"Maar de theorie liet geen significante verbetering zien, "zei hij. "Ik was teleurgesteld, maar de experimentatoren waren tevreden omdat hun observaties nu logisch waren."

Berekeningen met grafeen met defecten, waarin de honingraatreeks wordt verstoord door polygonen van vijf en zeven atomen, verging het niet beter. "Dus hebben we besloten om defecten van verschillende typen te onderzoeken, waarbij we sommige koolstofatomen vervangen door een ander element dat aantrekkelijkere locaties voor lithium creëert, "zei hij. "En borium is er een van."

Een koolstof/boorverbinding waarin een kwart van de koolstofatomen is vervangen door boor, bleek bijna ideaal te zijn als een manier om het vermogen van grafeen om lithium op te slaan te activeren, zei Yakobson. Borium trekt lithiumionen aan in de matrix, maar niet zo sterk dat ze niet door een aantrekkelijkere kathode van een koolstof/boriumanode kunnen worden weggetrokken.

"Het hebben van borium in het rooster geeft een zeer mooie binding, dus de capaciteit is goed genoeg, twee keer groter dan grafiet, " de meest gebruikte elektrode in commerciële lithium-ionbatterijen, hij zei. "Tegelijkertijd, de spanning is ook goed."

Yakobson en Rice afgestudeerde student Yuanyue Liu, eerste auteur van het artikel, berekende dat een volledig gelithieerde plaat van tweedimensionaal grafeen/borium een ​​capaciteit van 714 milliampère-uur per gram zou hebben. Dat vertaalt zich naar een energiedichtheid van 2, 120 wattuur per kilogram, veel groter dan grafiet, in combinatie met een commerciële lithium-kobaltoxide-kathode. Ze bepaalden ook dat het materiaal niet radicaal zou uitzetten of krimpen tijdens het opladen en ontladen.

"In dit geval, het lijkt heel redelijk en overtreft-theoretisch, tenminste - wat er nu beschikbaar is, ' zei Yakobson.

Een belangrijke stap zal zijn om een ​​manier te vinden om de koolstof/boorverbinding in grote hoeveelheden te synthetiseren. "Het bestaat, maar het is niet in de handel verkrijgbaar, " hij zei.