Grafen nanokomposit en bro til bedre batterier

Forskere fra det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har skabt et kompositmateriale af grafen og tin i nanoskala til højkapacitetslagring af energi i vedvarende lithium-ion-batterier. Ved at indkapsle tin mellem plader af grafen, forskerne konstruerede en ny, letvægts "sandwich" struktur, der skal styrke batteriets ydeevne.

"For et elektrisk køretøj, du har brug for et letvægtsbatteri, der kan oplades hurtigt og holder sin opladningskapacitet efter gentagne cykler, " siger Yuegang Zhang, en stabsforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry, i faciliteten for uorganiske nanostrukturer, der ledede denne forskning. "Her, vi har vist det rationelle design af en nanoskala arkitektur, som ikke behøver et tilsætningsstof eller bindemiddel for at fungere, for at forbedre batteriets ydeevne."

Grafen er et enkelt atom-tykt, "kyllingetråd" gitter af kulstofatomer med stjernernes elektroniske og mekaniske egenskaber, langt ud over silicium og andre traditionelle halvledermaterialer. Tidligere arbejde med grafen af ​​Zhang og hans kolleger har lagt vægt på elektroniske enhedsapplikationer.

I dette studie, holdet samlede vekslende lag af grafen og tin for at skabe en komposit i nanoskala. For at skabe kompositmaterialet, en tynd film af tin aflejres på grafen. Næste, endnu et ark grafen overføres oven på tinfilmen. Denne proces gentages for at skabe et kompositmateriale, som derefter opvarmes til 300˚ Celsius (572˚ Fahrenheit) i et brint- og argonmiljø. Under denne varmebehandling, tinfilmen forvandles til en række søjler, forøgelse af tinlagets højde.

"Danningen af ​​disse tinnanopiller fra en tynd film er meget speciel for dette system, og vi finder, at afstanden mellem det øverste og nederste grafenlag også ændres for at imødekomme højdeændringen af ​​tinlaget, " siger Liwen Ji, en post-doc forsker ved Støberiet. Ji er hovedforfatter og Zhang den tilsvarende forfatter til et papir, der rapporterer forskningen i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab .

Ændringen i højden mellem grafenlagene i disse nye nanokompositter hjælper under elektrokemisk cykling af batteriet, da volumenændringen af ​​tin forbedrer elektrodens ydeevne. Ud over, denne imødekommende adfærd betyder, at batteriet kan oplades hurtigt og gentagne gange uden at blive forringet - afgørende for genopladelige batterier i elektriske køretøjer.

"Vi har et stort batteriprogram her på Berkeley Lab, hvor vi er i stand til at lave meget cykliske celler. Gennem vores interaktioner i Carbon Cycle 2.0-programmet, Materials Science Divisions forskere nyder godt af kvalitets batterifaciliteter og personale, sammen med vores indsigt i, hvad der skal til for at lave en bedre elektrode, " siger medforfatter Battaglia, programleder i Advanced Energy Technology-afdelingen i Berkeley Labs Environmental and Energy Technologies Division. "Til gengæld, vi har mulighed for at få disse krav ud til forskere, der udvikler den næste generation af materialer."