De longs rubans de carbone qui n'ont qu'un atome d'épaisseur peuvent aider à améliorer les batteries lithium-ion, selon des chercheurs de l'Université Rice. Ils ont combiné les nanorubans avec des nanoparticules d'oxyde d'étain pour fabriquer des anodes de grande capacité. Crédit :Tour Group/Rice University
(Phys.org) — Des chercheurs de l'Université Rice ont trouvé une nouvelle façon d'augmenter l'efficacité de la batterie lithium-ion (LI) omniprésente en utilisant des rubans de graphène qui commencent comme des nanotubes de carbone.
Les anodes de preuve de concept - la partie de la batterie qui stocke les ions lithium - construites avec des nanorubans de graphène (GNR) et de l'oxyde d'étain ont montré une capacité initiale meilleure que la capacité théorique de l'oxyde d'étain seul, selon le chimiste de Rice James Tour. Après 50 cycles de charge-décharge, les unités d'essai ont conservé une capacité qui était encore plus du double de celle du graphite actuellement utilisé pour les anodes des batteries LI.
La recherche est parue cette semaine dans la revue American Chemical Society ACS Nano .
De meilleures batteries sont grandement souhaitées par tous ceux qui transportent un téléphone portable ou un ordinateur ou conduisent une voiture électrique. L'équipe Rice voit le potentiel des GNR à contribuer à leur développement.
Tour et ses collègues ont développé une méthode pour décompresser des nanotubes dans des GNR, révélé dans un article de couverture de 2009 dans Nature. Depuis, les chercheurs ont compris comment fabriquer des nanorubans de graphène en vrac et se dirigent vers des applications commerciales. L'humble batterie est un domaine mûr pour l'amélioration. Dans un monde de plus en plus mobile, la capacité de la batterie devient un goulot d'étranglement qui limite généralement les appareils à moins d'une journée d'utilisation.
Dans les nouvelles expériences, le laboratoire Rice a mélangé des nanorubans de graphène et des particules d'oxyde d'étain d'environ 10 nanomètres de large dans une suspension avec un liant de gomme de cellulose et un peu d'eau, l'étaler sur un collecteur de courant et l'enfermer dans une pile bouton. Les GNR sont épais d'un seul atome et des milliers de fois plus longs que larges. Les GNR non seulement séparent et supportent l'oxyde d'étain, mais aident également à fournir des ions lithium aux nanoparticules.
Des îlots d'oxyde d'étain chevauchent un nanoruban de graphène (en haut) dans une suspension utilisée dans les anodes des batteries lithium-ion. Les particules d'oxyde d'étain de 10 nanomètres sont maintenues séparées par les nanorubans, qui sont créés en divisant des nanotubes de carbone multiparois. Crédit :Tour Group/Rice University
Les tests en laboratoire ont montré des capacités de charge initiales de plus de 1, 520 milliampères-heures par gramme (mAh/g). Sur des cycles de charge-décharge répétés, le matériau s'est déposé dans un solide 825 mAh/g. "Il a fallu environ deux mois pour parcourir 50 cycles, " a déclaré l'auteur principal Jian Lin, chercheur postdoctoral à Rice, qui pense qu'il pourrait en gérer beaucoup plus sans perdre de capacité significative.
Les GNR pourraient également aider à surmonter une difficulté majeure avec le développement des batteries LI. Les ions lithium ont tendance à dilater le matériau qu'ils habitent, et le matériel se contracte lorsqu'il est retiré. Heures supplémentaires, des matériaux comme le silicium, qui montre une capacité extraordinaire pour le lithium, se décomposent et perdent leur capacité à stocker des ions. D'autres laboratoires de Rice ont réalisé des percées qui aident à résoudre le problème d'expansion en brisant le silicium traité en poudre, atteindre une grande capacité et de nombreux cycles.
Les nanorubans de graphène séparés des nanotubes dans un processus créé à l'Université Rice sont maintenant utilisés pour améliorer les performances des batteries lithium-ion. Les nanorubans dans une solution avec de l'oxyde d'étain ont plus du double de la capacité pour le lithium que les anodes de graphène standard dans les batteries commerciales actuelles. Crédit :Tour Group/Rice University
Les GNR adoptent une approche différente en donnant aux batteries un degré de flexibilité, Tour dit. "Les nanorubans de graphène forment un cadre formidable qui maintient les nanoparticules d'oxyde d'étain dispersées et les empêche de se fragmenter pendant le cyclisme, ", a-t-il déclaré. Étant donné que les particules d'oxyde d'étain ne mesurent que quelques nanomètres et qu'elles peuvent le rester en étant dispersées sur les surfaces GNR, les changements de volume dans les nanoparticules ne sont pas dramatiques. Les GNR fournissent également un poids léger, cadre conducteur, avec leurs ratios d'aspect élevés et leur extrême finesse."
Les chercheurs ont souligné que le travail est un "point de départ pour explorer les composites fabriqués à partir de GNR et d'autres oxydes de métaux de transition pour les applications de stockage du lithium". Lin a déclaré que le laboratoire prévoyait de construire des batteries avec d'autres nanoparticules métalliques pour tester leurs capacités de cyclage et de stockage.
