Les rubans hybrides d'oxyde de vanadium (VO2) et de graphène pourraient accélérer le développement de batteries lithium-ion haute puissance adaptées aux voitures électriques et à d'autres applications exigeantes.

Le scientifique des matériaux du laboratoire de l'Université Rice Pulickel Ajayan a déterminé que le matériau bien étudié est une cathode supérieure pour les batteries qui pourrait fournir à la fois une densité d'énergie élevée et une densité de puissance importante. La recherche apparaît en ligne ce mois-ci dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano .

Les rubans créés chez Rice sont des milliers de fois plus fins qu'une feuille de papier, ont pourtant un potentiel qui dépasse de loin les matériaux actuels pour leur capacité à se charger et à se décharger très rapidement. Les cathodes intégrées dans les demi-cellules pour les tests à Rice sont complètement chargées et déchargées en 20 secondes et ont conservé plus de 90 pour cent de leur capacité initiale après plus de 1, 000 cycles.

"C'est la direction que prend la recherche sur les batteries, non seulement pour quelque chose à haute densité d'énergie mais aussi à haute densité de puissance, " Ajayan a dit. " C'est quelque part entre une batterie et un supercondensateur. "

Les rubans ont également l'avantage d'utiliser des matériaux relativement abondants et bon marché. "Cela se fait par un procédé hydrothermal très simple, et je pense qu'il serait facilement évolutif à de grandes quantités, " il a dit.

Ajayan a déclaré que l'oxyde de vanadium a longtemps été considéré comme un matériau à grand potentiel, et en fait, le pentoxyde de vanadium a été utilisé dans les batteries lithium-ion pour sa structure spéciale et sa grande capacité. Mais les oxydes sont lents à se charger et à se décharger, en raison de leur faible conductivité électrique. Le réseau de graphène à haute conductivité qui est littéralement cuit résout bien ce problème, il a dit, en servant de conduit rapide pour les électrons et de canaux pour les ions.

Les feuilles de graphène minces atomiques liées aux cristaux prennent très peu de volume. Dans les meilleurs échantillons fabriqués chez Rice, 84 % du poids de la cathode était constitué de VO2 absorbant le lithium. qui contenait 204 milliampères-heures d'énergie par gramme. Les chercheurs, dirigé par Yongji Gong, étudiant diplômé de Rice et auteur principal Shubin Yang, ont déclaré qu'ils pensaient qu'il s'agissait de l'une des meilleures performances globales jamais observées pour les électrodes de batterie lithium-ion.

"Un défi de production était de contrôler les conditions de co-synthèse de rubans de VO2 avec du graphène, ", a déclaré Yang. Le processus impliquait de suspendre des nanofeuillets d'oxyde de graphène avec du pentoxyde de vanadium en poudre (oxyde de vanadium en couches, avec deux atomes de vanadium et cinq d'oxygène) dans de l'eau et la chauffer dans un autoclave pendant des heures. Le pentoxyde de vanadium a été complètement réduit en VO2, qui s'est cristallisé en rubans, tandis que l'oxyde de graphène a été réduit en graphène, dit Yang. Les rubans, avec un revêtement en forme de bande de graphène, n'avaient qu'une dizaine de nanomètres d'épaisseur, jusqu'à 600 nanomètres de large et des dizaines de micromètres de long.

"Ces rubans étaient les éléments constitutifs de l'architecture tridimensionnelle, " a déclaré Yang. " Cette structure unique était favorable à la diffusion ultrarapide des ions lithium et des électrons pendant les processus de charge et de décharge. C'était la clé pour atteindre d'excellentes performances électrochimiques."

En testant le nouveau matériau, Yang et Gong ont découvert que sa capacité de stockage du lithium restait stable après 200 cycles, même à des températures élevées (167 degrés Fahrenheit) auxquelles les autres cathodes se désintègrent généralement, même à de faibles taux de charge-décharge.

"Nous pensons qu'il s'agit d'un réel progrès dans le développement de matériaux cathodiques pour les batteries lithium-ion haute puissance, " Ajayan a dit, suggérant que la capacité des rubans à être dispersés dans un solvant pourrait les rendre appropriés comme composant dans les batteries pouvant être peintes développées dans son laboratoire.