Un equipo de ingenieros de la Universidad Estatal de Kansas ha descubierto algunas de las propiedades importantes del óxido de grafeno que pueden mejorar las baterías flexibles de iones de sodio y litio.

Gurpreet Singh, profesor asistente de ingeniería mecánica y nuclear, y Lamuel David, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica, India, publicaron sus hallazgos en el Revista de química física en el artículo "Electrodo de papel de óxido de grafeno reducido:efecto opuesto del recocido térmico sobre la ciclabilidad de Li y Na".

El óxido de grafeno es una versión aislante y defectuosa del grafeno que se puede convertir en conductor o semiconductor cuando se calienta. Singh y su equipo estudiaron láminas de óxido de grafeno como electrodos de papel flexibles para baterías de iones de sodio y litio.

Los investigadores encontraron que la capacidad de almacenamiento de sodio de los electrodos de papel depende de la distancia entre las capas individuales que se pueden ajustar calentándolas en gas argón o amoníaco. Por ejemplo, láminas de óxido de grafeno reducidas, o rGO, producidos a alta temperatura tienen una capacidad de sodio cercana a cero, mientras que las láminas de óxido de grafeno reducido producidas a 500 grados C tienen la capacidad máxima.

"La observación es importante porque el grafito, que es un precursor de la producción de óxido de grafeno, tiene una capacidad insignificante de sodio y durante mucho tiempo se ha descartado como electrodo viable para baterías de sodio, Singh dijo:"El grafito es el material de elección en las baterías de iones de litio actuales porque el espacio entre capas es el adecuado para que los iones de litio de menor tamaño se difundan hacia adentro y hacia afuera".

Los investigadores son los primeros en demostrar que un papel flexible compuesto completamente de láminas de óxido de grafeno puede cargarse y descargarse con iones de sodio durante más de 1, 000 ciclos. La sal de perclorato de sodio disuelta en carbonato de etileno sirvió como electrolito en sus celdas.

"La mayoría de los materiales de los electrodos de litio para baterías de sodio ni siquiera pueden durar más de unas pocas decenas de ciclos de carga y descarga porque el sodio es mucho más grande que el litio y causa enormes cambios de volumen y daños en el material huésped. "Singh dijo." Este diseño es único porque la distancia entre las capas de grafeno individuales es lo suficientemente grande como para permitir una rápida inserción y extracción de los iones de sodio, gracias a los átomos de oxígeno e hidrógeno que evitan que las hojas se vuelvan a apilar ".

Singh y su equipo también estudiaron el comportamiento mecánico de los electrodos hechos de láminas de óxido de grafeno reducido. Los investigadores midieron la tensión necesaria para romper los electrodos. A través de la videografía, demostraron la capacidad de los papeles de óxido de grafeno arrugados para soportar grandes tensiones antes de fallar.

"Estas mediciones y el estudio de los mecanismos de falla son importantes para diseñar baterías de larga duración porque desea que el electrodo pueda expandirse y contraerse repetidamente sin fracturarse durante miles de ciclos, especialmente para baterías de iones de metal sin litio más grandes, Singh dijo. En estos días, casi todos utilizan grafeno arrugado como agente conductor o soporte elástico o ambos ".

A principios de este año, Singh y su equipo demostraron la síntesis a gran escala de láminas de disulfuro de molibdeno de pocas capas de espesor. También mostraron que el papel compuesto de disulfuro de molibdeno / grafeno tiene potencial como electrodo de alta capacidad para baterías de iones de sodio. En esa investigación, los científicos utilizaron el grafeno como conductor de electrones para las láminas de disulfuro de molibdeno y observaron que el grafeno es en gran parte inactivo frente al sodio.

Su última investigación ha demostrado que, a diferencia del sodio, La capacidad de litio de rGO aumenta al aumentar la temperatura de síntesis de rGO alcanzando el valor máximo para la muestra producida a 900 grados C.

"Sólo ahora nos damos cuenta de que la capacidad de sodio del grafeno, o rGO, depende de su temperatura de procesamiento, "Dijo Singh." Las muestras de rGO en nuestro estudio anterior se prepararon a 900 grados centígrados ".

Singh dijo que la investigación sobre baterías de sodio y no litio es importante por varias razones. A medida que el enfoque cambia de los vehículos a los sistemas de almacenamiento de energía estacionarios y los vehículos grandes, las baterías estacionarias deben ser más baratas, seguro y respetuoso con el medio ambiente. Por su gran abundancia, el sodio es un candidato potencial para reemplazar las baterías de iones de litio.

Al centrarse en la nanotecnología, Singh y su equipo pudieron explorar y diseñar materiales que pueden almacenar iones de sodio de forma reversible y sin daños. Encontraron su respuesta en el óxido de grafeno, que puede ciclar los iones de sodio durante más de 1, 000 ciclos.

Singh y su equipo seguirán explorando nuevos nanomateriales y se centrarán en materiales que puedan producirse en masa de forma rentable.

"Nos gustaría realizar estudios fundamentales para comprender los orígenes de la pérdida del primer ciclo, histéresis de voltaje, y degradación de la capacidad que son comunes a los ánodos de baterías de iones metálicos preparados a partir de cristales en capas bidimensionales, como los calcogenuros de metales de transición, grafeno etc., "Dijo Singh.

Los investigadores también están analizando otros nanomateriales que se han descartado como electrodos de batería, tales como láminas de nitruro de boro y cerámicas a base de silicio-nitrógeno.