(Phys.org) —Un investigador de la Universidad Estatal de Kansas está desarrollando formas más eficientes de ahorrar costos, tiempo y energía al crear nanomateriales y baterías de iones de litio.
Gurpreet Singh, profesor asistente de ingeniería mecánica y nuclear, y su equipo de investigación han publicado dos artículos recientes sobre métodos más baratos y rápidos para crear nanomateriales que se pueden utilizar para baterías de iones de litio. En el año pasado, Singh ha publicado ocho artículos, cinco de los cuales involucran la investigación de baterías de iones de litio.
"Estamos explorando nuevos métodos para la síntesis rápida y rentable de materiales bidimensionales para aplicaciones de baterías recargables, ", Dijo Singh." Estamos interesados en esta investigación porque la comprensión de la interacción del litio con un solo, Los materiales de doble y de múltiples capas de espesor eventualmente nos permitirán diseñar electrodos de batería para aplicaciones prácticas. Esto incluye baterías que muestran una capacidad mejorada, eficiencia y una vida más larga ".
Para conocer las últimas investigaciones, El equipo de Singh creó películas de grafeno que tienen entre dos y diez capas de espesor. El grafeno es una hoja de carbono de un átomo de espesor. Los investigadores cultivaron las películas de grafeno en láminas de cobre y níquel calentándolas rápidamente en un horno en presencia de cantidades controladas de argón. gases de hidrógeno y metano. El equipo ha podido crear estas películas en menos de 30 minutos. Su trabajo aparece en la edición de enero de ACS-Applied Materials and Interfaces en un artículo titulado "Síntesis de películas de grafeno mediante calentamiento rápido y enfriamiento a presiones ambientales y su caracterización electroquímica".
La investigación es significativa porque los investigadores crearon estas láminas de grafeno calentando y enfriando rápidamente los sustratos de cobre y níquel a presiones atmosféricas. lo que significa que los científicos ya no necesitan un vacío para crear películas de grafeno de pocas capas de espesor y pueden ahorrar energía, tiempo y costo, Dijo Singh.
Los investigadores utilizaron estas películas de grafeno para crear el electrodo negativo de una celda de iones de litio y luego estudiaron las características de carga y descarga de esta batería recargable. Descubrieron que las películas de grafeno cultivadas en cobre no ciclaban los iones de litio y la capacidad de la batería era insignificante. Pero el grafeno cultivado en níquel mostró un rendimiento mejorado porque pudo almacenar y liberar iones de litio de manera más eficiente.
"Creemos que este comportamiento se produce porque las hojas de grafeno sobre níquel son relativamente gruesas cerca de los límites de los granos y se apilan de una manera bien definida, denominada apilamiento de Bernal, que proporciona múltiples sitios para una fácil absorción y liberación de iones de litio a medida que se descarga la batería. y cargado, "Dijo Singh.
En un segundo proyecto de investigación, Los investigadores crearon nanohojas de disulfuro de tungsteno que tenían aproximadamente 10 capas de espesor. Comenzando con polvo de disulfuro de tungsteno a granel, que es un tipo de lubricante seco utilizado en la industria automotriz, el equipo pudo separar láminas gruesas de capa atómica de disulfuro de tungsteno en una solución ácida fuerte. Este sencillo método hizo posible producir láminas en grandes cantidades. Al igual que el grafeno, El disulfuro de tungsteno también tiene una estructura atómica en capas, pero las capas individuales tienen tres átomos de espesor.
Los investigadores encontraron que estas láminas de disulfuro de tungsteno tratadas con ácido también podrían almacenar y liberar iones de litio, pero de una manera diferente. El litio se almacena mediante una reacción de conversión en la que el disulfuro de tungsteno se disocia para formar tungsteno y sulfuro de litio a medida que se descarga la celda. A diferencia del grafeno, esta reacción implica la transferencia de al menos dos electrones por átomo de tungsteno. Esto es importante porque los investigadores han ignorado durante mucho tiempo compuestos como los ánodos de las baterías debido a la dificultad asociada con la adición de litio a estos materiales. Dijo Singh. Solo recientemente los ánodos de batería basados en reacciones de conversión han ganado popularidad.
"También nos damos cuenta de que el disulfuro de tungsteno es un compuesto pesado en comparación con el grafito de última generación que se utiliza en las baterías de iones de litio actuales, "Dijo Singh." Por lo tanto, el disulfuro de tungsteno puede no ser un material de electrodo ideal para baterías portátiles ".
La investigación apareció en un número reciente de la Revista de letras de química física en un artículo titulado "Síntesis de nanohojas WS2 funcionalizadas en superficie y rendimiento como ánodos de baterías de iones de litio".
Ambos proyectos son importantes porque pueden ayudar a los científicos a crear nanomateriales de forma rentable. Si bien muchos estudios se han centrado en la fabricación de grafeno mediante procesos químicos de baja presión, Se han realizado pocas investigaciones utilizando calentamiento y enfriamiento rápidos a presiones atmosféricas, Dijo Singh. Similar, Se necesitan grandes cantidades de láminas gruesas de una o varias capas de disulfuro de tungsteno para otras aplicaciones.
"Curiosamente, para la mayoría de las aplicaciones que involucran este tipo de investigación de baterías y prevención de la corrosión, las películas que tienen unos pocos átomos de espesor suelen ser suficientes, "Dijo Singh." Las películas de un solo átomo de espesor de área grande de muy alta calidad no son una necesidad ".
Singh planea investigaciones futuras para estudiar cómo estos nanomateriales en capas pueden crear mejores electrodos en forma de heteroestructuras. que son esencialmente estructuras apiladas tridimensionales que involucran capas alternas de grafeno y tungsteno o disulfuro de molibdeno.
