Une équipe d'ingénieurs de la Kansas State University a découvert certaines des propriétés importantes de l'oxyde de graphène qui peuvent améliorer les batteries flexibles au sodium et au lithium-ion.

Gurpreet Singh, professeur assistant en génie mécanique et nucléaire, et Lamuel David, doctorant en génie mécanique, Inde, ont publié leurs conclusions dans le Journal de chimie physique dans l'article « Electrode en papier à oxyde de graphène réduit :effet opposé du recuit thermique sur la cyclabilité du Li et du Na ».

L'oxyde de graphène est une version isolante et défectueuse du graphène qui peut être converti en conducteur ou en semi-conducteur lorsqu'il est chauffé. Singh et son équipe ont étudié des feuilles d'oxyde de graphène en tant qu'électrodes en papier flexibles pour les batteries au sodium et au lithium-ion.

Les chercheurs ont découvert que la capacité de stockage du sodium des électrodes en papier dépend de la distance entre les couches individuelles qui peuvent être ajustées en les chauffant dans de l'argon ou du gaz ammoniac. Par exemple, feuilles d'oxyde de graphène réduit, ou rGO, produits à haute température ont une capacité en sodium proche de zéro, tandis que les feuilles d'oxyde de graphène réduit produites à 500 degrés C ont la capacité maximale.

"L'observation est importante car le graphite, qui est un précurseur pour fabriquer de l'oxyde de graphène, a une capacité négligeable pour le sodium et a longtemps été exclu comme électrode viable pour les batteries au sodium, " a déclaré Singh. " Le graphite est le matériau de choix dans les batteries lithium-ion actuelles, car l'espacement entre les couches est parfait pour que les ions lithium de plus petite taille diffusent à l'intérieur et à l'extérieur. "

Les chercheurs sont les premiers à montrer qu'un papier flexible composé entièrement de feuilles d'oxyde de graphène peut se charger et se décharger avec des ions sodium pendant plus de 1, 000 cycles. Le sel de perchlorate de sodium dissous dans le carbonate d'éthylène servait d'électrolyte dans leurs cellules.

"La plupart des matériaux d'électrode au lithium pour les batteries au sodium ne peuvent même pas durer plus de quelques dizaines de cycles de charge et de décharge car le sodium est beaucoup plus gros que le lithium et provoque d'énormes changements de volume et endommage le matériau hôte, " a déclaré Singh. " Cette conception est unique car la distance entre les couches individuelles de graphène est suffisamment grande pour permettre une insertion et une extraction rapides des ions sodium, grâce aux atomes d'oxygène et d'hydrogène qui empêchent les feuilles de se réempiler."

Singh et son équipe ont également étudié le comportement mécanique des électrodes constituées de feuilles d'oxyde de graphène réduit. Les chercheurs ont mesuré la contrainte nécessaire pour déchirer les électrodes. Grâce à la vidéographie, ils ont montré la capacité des papiers d'oxyde de graphène froissés à supporter de grandes contraintes avant de tomber en panne.

"Ces mesures et l'étude des mécanismes de défaillance sont importantes pour la conception de batteries à longue durée de vie, car vous voulez que l'électrode puisse se dilater et se contracter à plusieurs reprises sans rupture pendant des milliers de cycles, en particulier pour les grandes batteries non lithium métal-ion, " dit Singh. " Ces jours-ci, presque tout le monde utilise du graphène froissé soit comme agent conducteur, soit comme support élastique, soit les deux."

Plus tôt cette année, Singh et son équipe ont démontré la synthèse à grande échelle de feuilles de bisulfure de molybdène à quelques couches d'épaisseur. Ils ont également montré que le papier composite bisulfure de molybdène/graphène avait un potentiel en tant qu'électrode haute capacité pour la batterie sodium-ion. Dans cette recherche, les scientifiques ont utilisé le graphène comme conducteur d'électrons pour les feuilles de bisulfure de molybdène et ont observé que le graphène était largement inactif vis-à-vis du sodium.

Leurs dernières recherches ont montré que contrairement au sodium, la capacité de lithium de rGO augmente avec l'augmentation de la température de synthèse de rGO atteignant la valeur maximale pour l'échantillon produit à 900 degrés C.

"Ce n'est que maintenant que nous réalisons que la capacité en sodium du graphène, ou rGO, dépend de sa température de traitement, " a déclaré Singh. "Les spécimens rGO de notre étude précédente ont été préparés à 900 degrés C."

Singh a déclaré que la recherche sur les batteries au sodium et au non-lithium est importante pour plusieurs raisons. Alors que l'attention se déplace des véhicules vers les systèmes de stockage d'énergie stationnaires et les gros véhicules, les batteries stationnaires doivent être moins chères, sûr et respectueux de l'environnement. En raison de sa grande abondance, le sodium est un candidat potentiel pour remplacer les batteries lithium-ion.

En se concentrant sur les nanotechnologies, Singh et son équipe ont pu explorer et concevoir des matériaux capables de stocker les ions sodium de manière réversible et sans dommage. Ils ont trouvé leur réponse dans l'oxyde de graphène, qui peut cycler les ions sodium pendant plus de 1, 000 cycles.

Singh et son équipe continueront d'explorer de nouveaux nanomatériaux et se concentreront sur des matériaux pouvant être produits en série de manière rentable.

« Nous souhaitons réaliser des études fondamentales pour comprendre les origines de la perte du premier cycle, hystérésis de tension, et la dégradation de capacité qui sont communes aux anodes de batterie métal-ion préparées à partir de cristaux stratifiés 2-D tels que les chalcogénures de métaux de transition, graphène, etc., " a déclaré Singh.

Les chercheurs étudient également d'autres nanomatériaux qui ont été exclus comme électrodes de batterie, telles que les feuilles de nitrure de bore et les céramiques à base de silicium et d'azote.