Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har skapat ett kompositmaterial av grafen och tenn i nanoskala för energilagring med hög kapacitet i förnybara litiumjonbatterier. Genom att kapsla in tenn mellan ark av grafen, forskarna konstruerade en ny, lätt "sandwich" -struktur som ska stärka batteriets prestanda.

"För ett elfordon, du behöver ett lätt batteri som kan laddas snabbt och som håller sin laddningskapacitet efter upprepad cykling, " säger Yuegang Zhang, en stabsforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry, i anläggningen för oorganiska nanostrukturer, som ledde denna forskning. "Här, vi har visat den rationella utformningen av en nanoskala arkitektur, som inte behöver någon tillsats eller bindemedel för att fungera, för att förbättra batteriets prestanda."

Grafen är en enatomtjock, "kycklingtråds" gitter av kolatomer med fantastiska elektroniska och mekaniska egenskaper, långt bortom kisel och andra traditionella halvledarmaterial. Tidigare arbete med grafen av Zhang och hans kollegor har betonat tillämpningar av elektroniska enheter.

I den här studien, teamet satte ihop omväxlande lager av grafen och tenn för att skapa en komposit i nanoskala. För att skapa kompositmaterialet, en tunn tennfilm avsätts på grafen. Nästa, ytterligare ett ark grafen överförs ovanpå plåtfilmen. Denna process upprepas för att skapa ett kompositmaterial, som sedan värms upp till 300˚ Celsius (572˚ Fahrenheit) i en väte- och argonmiljö. Under denna värmebehandling, tennfilmen förvandlas till en serie pelare, öka höjden på tennskiktet.

"Bildandet av dessa tennnanopelare från en tunn film är mycket speciell för detta system, och vi finner att avståndet mellan de övre och nedre grafenskikten också ändras för att rymma tennskiktets höjdförändring, " säger Liwen Ji, en postdoktor vid Gjuteriet. Ji är huvudförfattare och Zhang motsvarande författare till en artikel som rapporterar forskningen i tidskriften Energi- och miljövetenskap .

Höjdförändringen mellan grafenlagren i dessa nya nanokompositer hjälper till under elektrokemisk cykling av batteriet, eftersom volymförändringen av tenn förbättrar elektrodens prestanda. Dessutom, detta tillmötesgående beteende innebär att batteriet kan laddas snabbt och upprepade gånger utan att försämras - avgörande för laddningsbara batterier i elfordon.

"Vi har ett stort batteriprogram här på Berkeley Lab, där vi kan göra mycket cyklerbara celler. Genom våra interaktioner i Carbon Cycle 2.0-programmet, forskare från Materials Science Division drar nytta av kvalitetsbatterianläggningar och personal, tillsammans med våra insikter i vad som krävs för att göra en bättre elektrod, " säger medförfattaren Battaglia, programledare på Advanced Energy Technology-avdelningen på Berkeley Labs Environmental and Energy Technologies Division. "I gengäld, vi har ett utlopp för att få ut dessa krav till forskare som utvecklar nästa generations material."