Grafen-bor-blanding viser løfte om lithium-ion-batterier

Frustration førte til åbenbaring, da forskere fra Rice University bestemte, hvordan grafen kan gøres nyttigt til batterier med høj kapacitet.

Beregninger foretaget af Rice-laboratoriet af den teoretiske fysiker Boris Yakobson fandt, at en grafen/boranode skulle kunne rumme meget lithium og fungere ved en korrekt spænding til brug i lithium-ion-batterier. Opdagelsen fremgår af American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Mulighederne, som grafen giver, bliver tydeligere for hver dag, efterhånden som laboratorier rundt om i verden vokser og tester den en-atom-tykke form af kulstof. Fordi det er så tyndt som muligt, batteriproducenter håber at drage fordel af grafens massive overfladeareal til at gemme lithiumioner. Tæller begge sider af materialet, et gram ville dække 2, 630 kvadratmeter, eller næsten en halv fodboldbane.

Men der er et problem. Ionerne holder sig ikke særlig godt til grafen.

"Som det ofte sker med grafen, folk solgte, hvor vidunderligt det ville være at absorbere litium, "sagde Yakobson, hvis gruppe analyserer forholdet mellem atomer baseret på deres iboende energi. "Men i forsøg de kunne ikke se det, og de var frustrerede. "

Forskere ved Honda Research Institute, der er interesseret i kraftfulde batterier til elbiler, bad Yakobson om at se situationen. "Vi kiggede på den teoretiske kapacitet af et ideelt ark grafen, og derefter hvordan det kunne eller ikke kunne drage fordel af krumning (ind i et nanorør) eller topologiske defekter. Vores første forventning var, at det ville forbedre lithiumbinding.

"Men teorien viste ingen væsentlig forbedring, "sagde han." Jeg var skuffet, men eksperimentelisterne var tilfredse, for nu gav deres observationer mening. "

Beregninger, der involverer grafen med defekter, hvor honeycomb-arrayet er forstyrret af fem- og syv-atom-polygoner, gik det ikke bedre. "Så vi besluttede at undersøge defekter af forskellige typer, hvor vi erstatter nogle carbonatomer med et andet element, der skaber mere attraktive steder for lithium, "sagde han." Og bor er en af ​​dem. "

En carbon/bor -forbindelse, hvor en fjerdedel af kulstofatomerne erstattes af bor, viste sig at være næsten ideel som en måde at aktivere grafens evne til at lagre lithium, Sagde Yakobson. Bor tiltrækker lithiumioner ind i matrixen, men ikke så stærkt, at de ikke kan trækkes væk fra en carbon/boranode af en mere attraktiv katode.

"At have bor i gitteret giver en meget god binding, så kapaciteten er god nok, to gange større end grafit, "den mest almindeligt anvendte elektrode i kommercielle lithium-ion-batterier, han sagde. "På samme tid, spændingen er også rigtig. "

Yakobson og Rice kandidatstuderende Yuanyue Liu, første forfatter til papiret, beregnet, at et fuldt litieret ark af todimensionalt grafen/bor ville have en kapacitet på 714 milliamp timer pr. gram. Det betyder en energitæthed på 2, 120 watt-timer pr. Kg, langt større end grafit, når det er parret med en kommerciel litiumkoboltoxidkatode. De fastslog også, at materialet ikke ville radikalt ekspandere eller trække sig sammen, da det oplades og udledes.

"I dette tilfælde, det virker ganske rimeligt og overstiger - teoretisk set i det mindste - hvad der er tilgængeligt nu, "Sagde Yakobson.

Et vigtigt skridt vil være at finde en måde at syntetisere carbon/borforbindelsen i store mængder. "Den findes, men det er ikke kommercielt tilgængeligt, " han sagde.