Frustration ledde till uppenbarelse när Rice University forskare bestämde hur grafen kan göras användbar för högkapacitetsbatterier.

Beräkningar från Rice lab av teoretisk fysiker Boris Yakobson fann att en grafen/boranod borde kunna hålla mycket litium och prestera vid en lämplig spänning för användning i litiumjonbatterier. Upptäckten visas i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Möjligheterna som grafen erbjuder blir tydligare för varje dag som labb runt om i världen växer och testar den enatomtjocka formen av kol. Eftersom den är så tunn som möjligt, batteritillverkare hoppas kunna dra fördel av grafens enorma yta för att lagra litiumjoner. Räknar båda sidor av materialet, ett gram skulle täcka 2, 630 kvadratmeter, eller nästan en halv fotbollsplan.

Men det finns ett problem. Jonerna fastnar inte på grafen särskilt bra.

"Som ofta händer med grafen, människor översålde hur underbart det skulle vara att absorbera litium, sa Yakobson, vars grupp analyserar relationer mellan atomer baserat på deras inneboende energi. "Men i experiment, de kunde inte se det, och de var frustrerade."

Forskare vid Honda Research Institute, som är intresserade av kraftfulla batterier för elbilar, bad Yakobson att se situationen. "Vi tittade på den teoretiska kapaciteten hos ett idealiskt ark av grafen, och sedan hur det kunde eller inte kunde dra nytta av krökning (till ett nanorör) eller topologiska defekter. Vår första förväntning var att det skulle förbättra litiumbindningen.

"Men teorin visade ingen signifikant förbättring, " sa han. "Jag blev besviken, men experimentalisterna var nöjda för nu var deras observationer vettiga."

Beräkningar som involverar grafen med defekter, där honeycomb-arrayen är störd av fem- och sjuatomers polygoner, gick inte bättre. "Så vi bestämde oss för att utforska defekter av olika typer där vi ersätter några kolatomer med ett annat element som skapar mer attraktiva platser för litium, sade han. Och bor är en av dem.

En kol/borförening där en fjärdedel av kolatomerna är ersatta av bor visade sig vara nästan idealisk som ett sätt att aktivera grafens förmåga att lagra litium, sa Yakobson. Bor drar till sig litiumjoner i matrisen, men inte så starkt att de inte kan dras bort från en kol/boranod av en mer attraktiv katod.

"Att ha bor i gallret ger väldigt fin bindning, så kapaciteten är tillräckligt bra, två gånger större än grafit, "den mest använda elektroden i kommersiella litiumjonbatterier, han sa. "På samma gång, spänningen är också rätt."

Yakobson och Rice doktorand Yuanyue Liu, tidningens första författare, beräknat att ett helt lithierat ark av tvådimensionell grafen/bor skulle ha en kapacitet på 714 milliampere timmar per gram. Det översätts till en energitäthet på 2, 120 wattimmar per kilogram, mycket större än grafit, när den paras med en kommersiell litiumkoboltoxidkatod. De fastställde också att materialet inte radikalt skulle expandera eller dra ihop sig när det laddas och urladdas.

"I detta fall, det verkar ganska rimligt och överträffar – teoretiskt sett, åtminstone – vad som är tillgängligt nu, " sa Yakobson.

Ett viktigt steg blir att hitta ett sätt att syntetisera kol/borföreningen i stora mängder. "Det finns, men det är inte kommersiellt tillgängligt, " han sa.