Ressemblant à des coquilles d'œufs brisées, des structures de graphène construites autour de bulles ont produit une batterie lithium-air avec la capacité énergétique la plus élevée à ce jour, selon des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory et de l'Université de Princeton. Ce noir, un matériau poreux pourrait remplacer les feuilles de graphène lisses traditionnelles dans les batteries lithium-air, qui se bouchent avec de minuscules particules pendant l'utilisation. En prime, le nouveau matériau de l'équipe ne repose pas sur le platine ou d'autres métaux précieux, réduire son coût potentiel et son impact environnemental.

"Cette structure hiérarchique de feuilles de graphène auto-assemblées est une conception idéale non seulement pour les batteries lithium-air mais aussi pour de nombreuses autres applications énergétiques potentielles, " a déclaré le Dr Jie Xiao, le scientifique des matériaux au PNNL qui a dirigé l'étude.

Les batteries lithium-air pourraient permettre la création de véhicules électriques à longue autonomie, capable de parcourir jusqu'à 300 miles entre les charges. Comparativement léger, Les batteries lithium-air souffrent toujours d'une capacité pratique limitée et de problèmes de cycle de vie médiocre. Cependant, cette étude a montré comment maximiser la capacité des batteries.

« Ceci est essentiel pour les applications, y compris les véhicules électriques et le stockage d'énergie, " a déclaré le Dr Jun Liu, un scientifique des matériaux sur l'étude et directeur de la Transformational Materials Science Initiative du PNNL, qui a financé la recherche.

L'équipe a commencé par combiner un agent liant avec du graphène, une forme spéciale de carbone. Le liant a dispersé le graphène en solution, comme le savon disperse la graisse dans l'eau de vaisselle. Le graphène et le liant ont ensuite été ajoutés à l'eau et mélangés à l'aide d'un processus qui a créé des bulles à l'intérieur de la solution. Le graphène et le liant se sont formés et ont durci autour des bulles. Quand les bulles ont fini par éclater, des sphères creuses de graphène ont été laissées. Les minuscules particules noires ne font que 3 à 4 microns de diamètre, dix fois plus petit qu'un cheveu humain.

En utilisant à la fois la modélisation et la microscopie, les scientifiques ont analysé les structures du graphène et leurs performances. Ils ont effectué des calculs de théorie fonctionnelle de la densité sur le système de supercalcul du National Energy Research Scientific Computing Center. Ils ont étudié les particules en utilisant la microscopie électronique au Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement.

Les chercheurs ont découvert que les structures poreuses noires en stockent plus de 15, 000 milliampères heures par gramme de graphène, ce qui le rend beaucoup plus dense en termes de capacité énergétique que d'autres matériaux.

« De nombreux catalyseurs sont actuellement étudiés pour cette technologie. Dans notre procédé nous avons choisi de ne pas utiliser de métal précieux, " a déclaré le Dr Ji-Guang Zhang, le chef de groupe dans la recherche sur les batteries Li-air du PNNL. "Cela réduira considérablement les coûts de production et augmentera l'adoptabilité."

La batterie atteint les plus hauts niveaux de capacité énergétique dans un environnement à oxygène uniquement. Lorsqu'il est utilisé dans l'air ambiant, la capacité diminue parce que l'eau dans l'air encrasse le lithium métal dans les batteries. L'équipe du PNNL travaille au développement d'une membrane pour bloquer l'eau tout en permettant à l'oxygène nécessaire de circuler

"Nous voulons aussi rendre la batterie rechargeable, " dit Zhang. " En ce moment, ce n'est pas. Il n'est pas entièrement rechargeable. Nous travaillons sur un nouvel électrolyte et un nouveau catalyseur pour que la batterie puisse être rechargée plusieurs fois, potentiellement pour les applications de batterie de secours qui nécessitent des densités d'énergie élevées."