(PhysOrg.com) -- Lors de la synthèse de matériaux spécialisés pour les batteries à forte teneur en énergie, le problème est le modèle. Le modèle pour l'auto-assemblage des sphères nanométriques très recherchées se désagrège, produisant des amas irréguliers d'oxydes métalliques. Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory ont déterminé comment garder le modèle intact. La réponse est aussi simple que d'ajouter du sel au processus.

Les véhicules électriques et le réseau électrique du pays bénéficieraient tous deux d'une énergie dense, piles longue durée. Les véhicules électriques pourraient parcourir de plus grandes distances entre les charges. Le réseau électrique pourrait puiser dans l'énergie éolienne et solaire stockée. De telles batteries nécessitent de nouveaux matériaux avec des caractéristiques nanométriques spécifiques. Malheureusement, la conception de ces matériaux a été un processus d'essais et d'erreurs. Les scientifiques préféreraient concevoir des modèles, mélanger les réactifs, et permettre aux matériaux de s'assembler. Le problème est que les modèles ne durent pas. Avec les réponses de cette étude, les scientifiques peuvent fabriquer des particules identiques qui sont ensuite assemblées en électrodes de batterie.

« Cette recherche apporte des réponses fondamentales nécessaires pour produire des des matériaux bien définis qui fonctionneront comme électrodes dans les batteries lithium-ion et les batteries lithium-air de nouvelle génération, " a déclaré le Dr Maria Sushko, un scientifique des matériaux du PNNL qui a travaillé sur l'étude avec le Dr Jun Liu.

En s'appuyant sur des recherches expérimentales, les chercheurs du PNNL ont mené une analyse théorique sur la stabilité du gabarit pour l'auto-assemblage de nanoparticules de dioxyde de titane et d'autres oxydes métalliques. L'analyse était une théorie de la fonctionnelle de densité classique, ou cDFT, étudier.

L'équipe a examiné le modèle, qui se compose de deux parties. D'abord, la base est une couche bien définie, graphène conducteur. La deuxième partie est un tensioactif. Le tensioactif est une molécule définie par sa chimie "tête" et "queue". La tête de la molécule est hydrophobe ou « craint l'eau » et se fixe au graphène. La queue est hydrophile et interagit avec la solution contenant les ingrédients pour former les particules d'oxyde métallique souhaitées. Le tensioactif forme de petits monticules sur le graphène qui servent de modèle pour la formation de nanoparticules.

"Mais à moins que les tensioactifs forment une structure stable, tout ce que tu construis s'effondre, " dit Souchko.

Les scientifiques ont découvert que la clé de la stabilité du modèle était l'introduction d'un sel, spécifiquement des cations doublement chargés et des anions simplement chargés, dans le mélange. Puis, l'équipe a utilisé ce résultat pour prédire comment les nanoparticules de dioxyde de titane se développent sur le modèle. Ils ont constaté que les particules se développent entre les creux dans les modèles hémicylindriques. Cependant, si les particules dépassent les crevasses, le modèle passe des monticules à un lisse, surface semblable à de l'herbe. Puis, les particules croissent de façon irrégulière, fusionner en grappes plus grandes.

« Si nous utilisons les résultats de cet article [publié dans le Journal de chimie physique B ], nous pouvons faire croître des nanoparticules dans la matière confinée pour créer de plus grandes, nanoparticules d'oxydes métalliques de taille uniforme, comme le dioxyde de titane, ce qui est très important pour créer les matériaux dont vous avez besoin pour les électrodes des batteries, " dit Souchko.

Prochaine étape :L'équipe travaille sur une étude expérimentale pour développer une compréhension approfondie des processus d'auto-assemblage et de nucléation impliqués dans la construction de matériaux nanocomposites. Cette étude à venir et d'autres similaires sont nécessaires pour percer les mystères de l'auto-assemblage et permettre aux scientifiques de contrôler la synthèse des matériaux.