(Phys.org) —Cuando Ovadia Lev, Profesor de Química Ambiental y Salud en la Universidad Hebrea de Jerusalén, y su equipo de investigación desarrolló una nueva tecnología de recubrimiento hace unos años, pensaron que era un resultado interesante de su investigación en soluciones de peróxido de hidrógeno. Sin embargo, no estaban seguros de qué hacer con él hasta que conocieron a un equipo de investigadores que buscaba una forma sencilla de sintetizar nuevos materiales de ánodo de batería de iones de litio, como los compuestos de óxido de estaño y grafeno.

"Desde hace varios años, mi laboratorio, en colaboración con mi ex estudiante de posdoctorado y actual socio de investigación, Dr. Petr Prikhodchenko, ha estado investigando la química sol-gel en soluciones ricas en peróxido de hidrógeno, "Lev dijo Phys.org . "Uno de los resultados de esta investigación fue una tecnología para recubrir partículas mediante puntos nanométricos de óxido metálico. Comenzamos a buscar una aplicación de demostración atractiva que sacara a la luz las ventajas de nuestro procedimiento de recubrimiento. De alguna manera, teníamos un medicamento y buscábamos una enfermedad adecuada.

"Luego, mi laboratorio se involucró en una colaboración entre Israel y Singapur con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación de Singapur bajo su programa CREATE:Nanomaterials for Energy and Water Management, y nuestros socios de Singapur pronto se dieron cuenta de que los ánodos de baterías de iones de litio pueden beneficiarse enormemente de la flexibilidad y simplicidad de nuestro enfoque de recubrimiento de partículas ".

Los investigadores de baterías encuentran atractivo el óxido de grafeno y estaño como material de ánodo en las baterías de iones de litio por tres razones principales:tiene una alta capacidad de carga teórica, el grafeno tiene alta conductividad, y los nanocristales de óxido de grafeno y óxido de estaño están en estrecho contacto.

El problema es que sintetizar estos compuestos, que implica recubrir una capa ultrafina de nanocristales de óxido de estaño en una hoja de óxido de grafeno, anteriormente ha sido caro, proceso de alta temperatura. Pero al utilizar la nueva tecnología de recubrimiento, los investigadores encontraron que podían sintetizar compuestos de óxido de estaño y grafeno a temperatura ambiente, sin infraestructura complicada, a un costo reducido, y de forma respetuosa con el medio ambiente.

Lev, Prikhodchenko, y sus coautores, de instituciones en Israel, Rusia, y Singapur, han publicado su estudio sobre el método de síntesis mejorado en un número reciente de Nanotecnología .

Como explican los investigadores, La nueva tecnología de recubrimiento de partículas utiliza peróxido de hidrógeno para inducir la formación y deposición de nanocristales de óxido de estaño sobre óxido de grafeno. En un estudio anterior, los investigadores encontraron que el peróxido de hidrógeno promueve la formación de una capa de óxido de estaño a través de varios mecanismos químicos, como promover la unión y prevenir la agregación de partículas.

Usando esta técnica de recubrimiento, aquí los investigadores lograron un tamaño promedio de nanocristales de óxido de estaño de solo 2.5 nm, que es significativamente más pequeño que el tamaño de 4 nm alcanzado anteriormente. El pequeño tamaño disminuye la deformación causada por la aleación de litio, lo que a su vez mejora el rendimiento del ciclo de carga / descarga.

Para demostrar el rendimiento de los compuestos en baterías, los investigadores utilizaron el óxido de grafeno y estaño para preparar dos tipos de ánodos de iones de litio:óxido de grafeno con una capa de óxido de estaño, y óxido de grafeno con una capa de óxido de estaño y estaño. Ambos ánodos exhibieron una alta capacidad (comenzando en alrededor de 1500 mAhg ^-1 ) que excede la capacidad teórica prevista, aunque bajó a unos 700 mAhg ^-1 después de 90 ciclos. Ambos ánodos también exhibieron una ciclabilidad de carga / descarga estable debido al contacto íntimo entre el grafeno conductor y nanocristales de óxido de estaño muy pequeños. El compuesto sin estaño exhibió una mayor capacidad de carga pero una estabilidad ligeramente menor después de un ciclo de carga / descarga prolongado en comparación con el compuesto revestido con óxido de estaño y estaño. que los investigadores atribuyen a una diferencia en el tratamiento térmico más que a la diferencia en la composición.

Lev explicó cómo los ánodos de óxido de grafeno y estaño encajan en el panorama general de la investigación actual sobre baterías de iones de litio.

"Las baterías de iones de litio se desarrollan en varias direcciones paralelas, apuntando a mejoras en la capacidad de carga, densidad de energía específica, tasas de carga y descarga, la duración de la batería y la carga se desvanecen, seguridad de la batería, y sobre todo el coste de la batería, que requiere un proceso de fabricación barato a partir de materias primas baratas, ", dijo." Cada aplicación de baterías recargables debe tener una función objetivo de optimización diferente, lo que da como resultado una composición de celda diferente. Por ejemplo, el desvanecimiento de la carga se tolera de manera diferente en juguetes y teléfonos inteligentes, y las dos poblaciones de consumidores diferentes estarán dispuestas a pagar de manera diferente por la duración adicional de la batería.

"Nuestro nuevo enfoque tiene como objetivo solo dos de estos aspectos:capacidad de carga superior, que es más del doble que los ánodos de grafito, y bajo costo, que se manifiesta en materias primas baratas y procesamiento de química húmeda ".

En el futuro, los científicos planean expandir su investigación a otras composiciones de electrodos que pueden beneficiarse del procesamiento de sol-gel de peróxido de hidrógeno.

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