Cercetătorii în inginerie de la Institutul Politehnic Rensselaer au creat o foaie din cel mai subţire material din lume, grafenul, şi apoi au ars această foaie cu un laser ori cu un bliţ pentru a-i imprima nenumărate fisuri, pori şi alte imperfecţiuni.
Rezultatul este un material anod de grafen care poate fi descărcat sau încărcat de 10 ori mai rapid decât un anod convenţional din grafit folosit în actualele baterii Litiu-ion.
O imagine SEM (obţinută cu un microscop electronic cu scanare sau cu baleiaj) a secţiunii transversale a grafenului redusă foto-termal arată o structură expandată. Foiţele de grafen sunt separate printr-o reţea interconectată, permiţând o mai bună umezire cu electrolit şi acces al ionilor de litiu pentru baterii Litiu-ion eficiente cu performanţe ridicate.
Bateriile reîncărcabile Li-ion reprezintă standardul în industrie pentru telefoane mobile, laptopuri şi tablete, automobile electrice şi o gamă de alte dispozitive. În timp ce bateriile Li-ion au o densitate de energie ridicată şi pot înmagazina cantităţi mari de energie, acestea suferă de un deficit al densităţii de putere şi sunt incapabile de a accepta sau ceda energie în mod rapid. Densitatea de putere redusă este motivul pentru care este necesar aproximativ o oră să încărcaţi bateria telefonului sau laptopului şi motivul pentru care motoarele automobilelor electrice nu se pot baza doar pe baterii şi au nevoie de un supercondensator pentru funcţii de mare putere cum ar fi accelerarea sau frânarea.
Echipa de cercetare Rensselaer, condusă de expertul în nanomateriale Nikhil Koratkar, a încercat să rezolve această problemă prin crearea unei noi baterii care să poată înmagazina mari cantităţi de energie dar şi să primească şi să elibereze în mod rapid această energie. O astfel de invenţie ar înlătura nevoia de asociere complicată a bateriilor Li-ion şi supercondensatorilor în maşinile electrice, precum şi posibilitatea fabricării motoarelor simple şi mai performante pentru industria de automobile bazate pe baterii Li-ion de mare putere şi energie. Koratkar şi echipa lui sunt încrezători că noua lor baterie, realizată prin crearea intenţionată a defectelor în grafen, este un important pas spre calea realizării acestui ţel. Astfel de baterii ar putea de asemenea scurta timpul de încărcare a dispozitivelor electronice portabile de la telefoane la laptopuri, până la instrumente folosite de paramedici şi personalul de urgenţă.
„Tehnologia Li-ion pentru baterii este grozavă, însă cu adevărat afectată de densitatea de putere limitată şi incapacitatea de a accepta sau elibera cantităţi mari de energie. Prin utilizarea foii de grafen cu defect intenţionat în arhitectura bateriei, credem că putem depăşi acest obstacol”, spune Koratkar, profesor A. Clark and Edward T. Crossan de inginerie la Rensselaer. „Credem că această descoperire este pregătită pentru comercializare, ea putând avea un impact important în dezvoltarea noilor baterii şi sisteme electrice pentru automobilele electrice şi aplicaţii electronice portabile.” Rezultatele studiului au fost publicate de revista ACS Nano în lucrarea „Grafenul redus foto-termal pentru anozi de mare putere în baterii Litiu-ion”.
Koratkar şi echipa lui au început cercetările asupra grafenului ca un posibil înlocuitor pentru grafitul folosit ca material pentru anozi în bateriile Li-ion din prezent. În esenţă grafenul este un singur strat de grafit care se găseşte în mod obişnuit în creioane sau în cărbunele din grătare. Acest strat are grosimea unui atom cu o structură de tip hexagonal asemeni unui gard de sârmă. În studiile anterioare, bateriile Li-ion cu anozi de grafit au dovedit o bună densitate de energie, dar o densitate de putere redusă, ceea ce înseamnă că nu se pot încărca sau descărca rapid. Această încărcare şi descărcare înceată are drept cauză faptul că ionii de litiu nu pot să intre sau să iasă din anod pe la margini, ci trebuie să-şi croiască încet drumul pe toată lungimea straturilor de grafen.
Soluţia propusă de Koratkar a fost să folosească o tehnică cunoscută pentru a crea o foaie din grafen oxidat. Această foaie are grosimea unei coli de hârtie de imprimat obişnuită şi poate fi făcută aproape în orice mărime sau formă. Echipa de cercetare a pus foaia din oxid de grafit sub un laser, iar alte mostre de foaie au fost expuse la un simplu bliţ de aparat foto. În ambele situaţii căldura laserului sau a bliţului au cauzat literalmente miniexplozii prin foaie, pe măsură ce atomii de oxigen din oxidul de grafen au fost smulşi violent din structură. Rezultatul acestui exod al oxigenului a fost crearea foilor de grafen marcate de nenumărate crăpături, pori, goluri şi alte plăgi. Presiunea creată de oxigenul expulzat a produs expansiunea foii de grafen de cinci ori în grosime, creând largi goluri între straturile individuale de grafen.
Cercetătorii au realizat imediat că această foaie avariată se comportă remarcabil pe post de anod pentru o baterie Li-ion. Pe când înainte ionii de Litiu traversau încet întreaga lungime a straturilor de grafen pentru a încărca sau descărca, acum aceiaşi ioni au folosit fisurile şi porii pe post de scurtături pentru a intra sau ieşi rapid din grafen – mărind substanţial densitatea de putere per total a bateriei. Echipa lui Koratkar a demonstrat cum materialul experimental din care şi-au confecţionat anodul a putut să se încarce sau să se descarce de 10 ori mai rapid decât anozii convenţionali din bateriile Li-ion, fără a înregistra pierderi notabile în ceea ce priveşte densitatea de energie. În pofida nenumăratelor minuscule fisuri, goluri şi pori care sunt pretutindeni în structură, anodul din grafen este remarcabil de robust şi a continuat să funcţioneze cu succes chiar şi după mai mult de 1000 de cicluri de încărcare/descărcare. Conductivitatea electrică ridicată a foilor de grafen au permis transportul eficient al electronilor în anod, ceea ce este o altă proprietate necesară pentru aplicaţii de mare putere.
Koratkar spune că procesul de fabricare al acestor noi anozi din foaie de grafen pentru baterii Li-ion poate fi uşor adaptat la scară mare pentru nevoi industriale. Foaia de grafen poate fi fabricată în practic orice formă şi dimensiune, iar expunerea foto-termală sub laser sau bliţ este un proces uşor şi ieftin de replicat. Cercetătorii au înaintat actele pentru protejarea drepturilor de autor asupra invenţiei. Următorul pas este împerecherea anodul de grafit cu un material pentru un catod de mare putere în vederea construirii unei baterii complete.
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după batteries-world-thinnest-material-power, cu acordul editorului.
