Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont créé un matériau composite à l'échelle nanométrique de graphène et d'étain pour le stockage d'énergie de grande capacité dans des batteries lithium-ion renouvelables. En encapsulant de l'étain entre des feuilles de graphène, les chercheurs ont construit un nouveau structure "sandwich" légère qui devrait renforcer les performances de la batterie.

"Pour un véhicule électrique, vous avez besoin d'une batterie légère qui peut être chargée rapidement et conserve sa capacité de charge après des cycles répétés, " dit Yuegang Zhang, un scientifique du personnel de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, dans l'Installation Nanostructures Inorganiques, qui a mené cette recherche. "Ici, nous avons montré la conception rationnelle d'une architecture nanométrique, qui n'a pas besoin d'additif ou de liant pour fonctionner, pour améliorer les performances de la batterie."

Le graphène est un seul atome d'épaisseur, réseau "en fil de fer" d'atomes de carbone aux propriétés électroniques et mécaniques stellaires, bien au-delà du silicium et d'autres matériaux semi-conducteurs traditionnels. Des travaux antérieurs sur le graphène par Zhang et ses collègues ont mis l'accent sur les applications des appareils électroniques.

Dans cette étude, l'équipe a assemblé des couches alternées de graphène et d'étain pour créer un composite à l'échelle nanométrique. Pour créer le matériau composite, une fine couche d'étain est déposée sur du graphène. Prochain, une autre feuille de graphène est transférée sur le film d'étain. Ce processus est répété pour créer un matériau composite, qui est ensuite chauffé à 300˚ Celsius (572˚ Fahrenheit) dans un environnement d'hydrogène et d'argon. Au cours de ce traitement thermique, le film d'étain se transforme en une série de piliers, augmenter la hauteur de la couche d'étain.

« La formation de ces nanopiliers d'étain à partir d'un film mince est très particulière à ce système, et nous trouvons que la distance entre les couches de graphène supérieure et inférieure change également pour s'adapter au changement de hauteur de la couche d'étain, " dit Liwen Ji, chercheur post-doctorant à la Fonderie. Ji est l'auteur principal et Zhang l'auteur correspondant d'un article relatant la recherche dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement .

Le changement de hauteur entre les couches de graphène dans ces nouveaux nanocomposites aide lors du cyclage électrochimique de la batterie, car le changement de volume de l'étain améliore les performances de l'électrode. En outre, ce comportement accommodant signifie que la batterie peut être chargée rapidement et à plusieurs reprises sans se dégrader, ce qui est crucial pour les batteries rechargeables des véhicules électriques.

« Nous avons un vaste programme de batteries ici à Berkeley Lab, où nous sommes capables de fabriquer des cellules hautement cyclables. A travers nos interactions dans le programme Carbon Cycle 2.0, les chercheurs de la Division Science des Matériaux bénéficient d'installations et d'un personnel de qualité en matière de batteries, ainsi que nos connaissances sur ce qu'il faut pour fabriquer une meilleure électrode, " dit le co-auteur Battaglia, responsable de programme au sein du département Advanced Energy Technology de la division Environmental and Energy Technologies de Berkeley Lab. "En retour, nous avons un débouché pour transmettre ces exigences aux scientifiques qui développent la prochaine génération de matériaux. »