La frustración llevó a la revelación cuando los científicos de la Universidad de Rice determinaron cómo el grafeno podría ser útil para baterías de alta capacidad.

Los cálculos del laboratorio de Rice del físico teórico Boris Yakobson encontraron que un ánodo de grafeno / boro debería poder contener una gran cantidad de litio y funcionar a un voltaje adecuado para su uso en baterías de iones de litio. El descubrimiento aparece en la revista American Chemical Society Revista de letras de química física .

Las posibilidades que ofrece el grafeno se aclaran día a día a medida que los laboratorios de todo el mundo crecen y prueban la forma de carbono de un átomo de espesor. Porque es lo más delgado posible, Los fabricantes de baterías esperan aprovechar la enorme superficie del grafeno para almacenar iones de litio. Contando ambos lados del material, un gramo cubriría 2, 630 metros cuadrados, o casi la mitad de un campo de fútbol.

Pero hay un problema. Los iones no se adhieren muy bien al grafeno.

"Como suele ocurrir con el grafeno, la gente exageró lo maravilloso que sería absorber litio, "dijo Yakobson, cuyo grupo analiza las relaciones entre los átomos en función de su energía intrínseca. "Pero en experimentos, ellos no pudieron verlo, y estaban frustrados ".

Científicos del Honda Research Institute, que estén interesados ​​en baterías potentes para coches eléctricos, le pidió a Yakobson que viera la situación. "Observamos la capacidad teórica de una hoja ideal de grafeno, y luego cómo podría o no beneficiarse de la curvatura (en un nanotubo) o defectos topológicos. Nuestra expectativa inicial era que mejoraría la unión del litio.

"Pero la teoría no mostró ninguna mejora significativa, ", dijo." Estaba decepcionado, pero los experimentadores estaban satisfechos porque ahora sus observaciones tenían sentido ".

Cálculos que involucran grafeno con defectos, en el que la matriz de panal está interrumpida por polígonos de cinco y siete átomos, no le fue mejor. "Así que decidimos explorar defectos de diferentes tipos donde reemplazamos algunos átomos de carbono con otro elemento que crea sitios más atractivos para el litio". ", dijo." Y el boro es uno de ellos ".

Un compuesto de carbono / boro en el que una cuarta parte de los átomos de carbono son reemplazados por boro resultó ser casi ideal como una forma de activar la capacidad del grafeno para almacenar litio. Dijo Yakobson. El boro atrae iones de litio a la matriz, pero no con tanta fuerza que no puedan separarse de un ánodo de carbono / boro mediante un cátodo más atractivo.

"Tener boro en la celosía proporciona una unión muy agradable, para que la capacidad sea lo suficientemente buena, dos veces más grande que el grafito, "el electrodo más utilizado en las baterías comerciales de iones de litio, él dijo. "Al mismo tiempo, el voltaje también es correcto ".

Yuanyue Liu, estudiante de posgrado de Yakobson y Rice, primer autor del artículo, calculó que una hoja completamente litiada de grafeno / boro bidimensional tendría una capacidad de 714 miliamperios hora por gramo. Eso se traduce en una densidad de energía de 2, 120 vatios-hora por kilogramo, mucho mayor que el grafito, cuando se combina con un cátodo de óxido de cobalto de litio comercial. También determinaron que el material no se expandiría o contraería radicalmente mientras se carga y descarga.

"En este caso, parece bastante razonable y excede, teóricamente, al menos, lo que está disponible ahora, "Dijo Yakobson.

Un paso importante será encontrar una forma de sintetizar el compuesto de carbono / boro en grandes cantidades. "Sí existe, pero no está disponible comercialmente, " él dijo.