La frustration a conduit à une révélation lorsque les scientifiques de l'Université Rice ont déterminé comment le graphène pourrait être rendu utile pour les batteries de grande capacité.

Les calculs du laboratoire Rice du physicien théoricien Boris Yakobson ont révélé qu'une anode en graphène/bore devrait pouvoir contenir beaucoup de lithium et fonctionner à une tension appropriée pour une utilisation dans des batteries lithium-ion. La découverte apparaît dans l'American Chemical Society's Journal des lettres de chimie physique .

Les possibilités offertes par le graphène se précisent de jour en jour à mesure que les laboratoires du monde entier se développent et testent la forme de carbone d'une épaisseur d'un atome. Parce qu'il est le plus fin possible, Les fabricants de batteries espèrent profiter de la surface massive du graphène pour stocker les ions lithium. Compter les deux côtés du matériau, un gramme en couvrirait 2, 630 mètres carrés, ou près de la moitié d'un terrain de football.

Mais il y a un problème. Les ions ne collent pas très bien au graphène.

"Comme cela arrive souvent avec le graphène, les gens ont exagéré à quel point ce serait merveilleux d'absorber du lithium, " dit Yakobson, dont le groupe analyse les relations entre les atomes en fonction de leur énergie intrinsèque. "Mais dans les expériences, ils ne pouvaient pas le voir, et ils étaient frustrés."

Des scientifiques de l'Institut de recherche Honda, qui s'intéressent aux batteries puissantes pour voitures électriques, a demandé à Yakobson de voir la situation. "Nous avons examiné la capacité théorique d'une feuille idéale de graphène, et ensuite comment il a pu ou non bénéficier de courbure (en nanotube) ou de défauts topologiques. Notre attente initiale était que cela améliorerait la liaison du lithium.

"Mais la théorie n'a montré aucune amélioration significative, " dit-il. " J'ai été déçu, mais les expérimentateurs étaient satisfaits parce que maintenant leurs observations avaient un sens."

Calculs impliquant du graphène avec défauts, dans lequel le réseau en nid d'abeille est interrompu par des polygones à cinq et sept atomes, ne s'en est pas mieux sorti. "Nous avons donc décidé d'explorer des défauts de différents types où nous remplaçons certains atomes de carbone par un autre élément qui crée des sites plus attractifs pour le lithium, " dit-il. " Et le bore est l'un d'entre eux. "

Un composé carbone/bore dans lequel un quart des atomes de carbone sont remplacés par du bore s'est avéré presque idéal comme moyen d'activer la capacité du graphène à stocker le lithium, dit Yakobson. Le bore attire les ions lithium dans la matrice, mais pas si fortement qu'ils ne peuvent pas être retirés d'une anode de carbone/bore par une cathode plus attrayante.

" Avoir du bore dans le treillis donne une très belle liaison, donc la capacité est assez bonne, deux fois plus gros que le graphite, " l'électrode la plus couramment utilisée dans les batteries lithium-ion commerciales, il a dit. "À la fois, la tension est également correcte."

Yakobson et Rice, étudiant diplômé Yuanyue Liu, premier auteur de l'article, ont calculé qu'une feuille entièrement lithiée de graphène/bore bidimensionnel aurait une capacité de 714 milliampères-heures par gramme. Cela se traduit par une densité d'énergie de 2, 120 wattheures par kilogramme, bien plus grand que le graphite, lorsqu'il est associé à une cathode commerciale d'oxyde de lithium et de cobalt. Ils ont également déterminé que le matériau ne se dilaterait pas ou ne se contracterait pas radicalement lorsqu'il se chargerait et se déchargerait.

"Dans ce cas, cela semble tout à fait raisonnable et dépasse - théoriquement, au moins—ce qui est disponible maintenant, " a déclaré Yakobson.

Une étape importante sera de trouver un moyen de synthétiser le composé carbone/bore en grande quantité. "Ça existe, mais il n'est pas disponible dans le commerce, " il a dit.