I ricercatori mostrano la grafene

Ricercatori francesi e olandesi hanno dimostrato che sia le superfici di grafina che quelle di grafdiina in una batteria al litio-metallo allo stato solido consentono efficacemente l'intercalazione del litio impedendo ad altre molecole di elettroliti di raggiungere gli elettrodi. Un articolo sul loro lavoro è pubblicato sul Journal of Power Sources.

Gli elettroliti completamente solidi potrebbero portare a una svolta tecnologica nelle prestazioni delle batterie completamente allo stato solido se combinati con un anodo di litio-metallo. Tuttavia, l’uso di un anodo litio-metallo presenta diverse sfide, come la crescita dei dendriti, la stabilità elettrochimica dell’interfaccia, la formazione e la propagazione di cricche e la delaminazione delle interfacce elettrodo/elettrolita.

Questo lavoro mira a esplorare l'efficacia dell'utilizzo di membrane a base di grafene 2D di nuova sintesi (vale a dire graphyne, graphdiyne e graphtriyne) per la protezione degli elettrodi in una batteria elettrolitica polimerica solida attraverso calcoli di primo principio, metodo della banda elastica nudged e simulazione della dinamica molecolare classica .

Nello specifico, miriamo a studiare l'efficacia di queste membrane nel mitigare le sfide sopra menzionate.

I ricercatori hanno proposto una soluzione alternativa che impedisce il contatto diretto tra elettroliti ed elettrodi rivestendo gli elettrodi con strati di grafene-n (n = 1, 2, 3) permeabili a piccoli cationi, come Li+ e Na+.

Graphyne (n=1), graphdiyne (n=2) e graphtriyne (n=3) sono allotropi di carbonio 2D composti da legami acetilenici (sp-) e benzene (anelli aromatici) (atomi di carbonio ibridati sp). La grafine è un foglio planare dello spessore di un atomo. Graphdiyne, sintetizzato dal 2010, è l'allotropo di carbonio non naturale più stabile contenente legami diacetilenici. A causa di una struttura porosa contenente pori triangolari di dimensioni 3,94 Å, 5,42 Å e 6,69 Å rispettivamente per grafina, grafinina e grafinina, e carboni coniugati, la grafne-n fornisce siti di stoccaggio e vie di diffusione per piccoli ioni come Li+.

Il Li+ può quindi diffondersi in direzioni parallele e perpendicolari agli strati di grafene-n, rendendo la grafene-n un promettente materiale 2D nelle batterie di accumulo di energia.

Il modello di batteria studiato consisteva in elettroliti polimerici solidi (SPE) delimitati da due superfici di grafene-n, dove ciascuna superficie è composta da quattro strati di un foglio di grafene-n, con n=1, 2 o 3.

I ricercatori hanno applicato un campo elettrico esterno elevato fino a 0,5 V/Å, 0,75 V/Å e 1 V/Å per accelerare il processo di diffusione degli ioni. Sono state studiate le energie di adsorbimento, il trasferimento di carica e la diffusione nel piano/fuori piano del litio singolo su superfici a base di grafena. Successivamente, hanno calcolato e confrontato la permeabilità del litio, l'efficienza di reiezione delle molecole di elettrolita e le proprietà intrinseche delle membrane nanoporose a base di grafena.

Risorse

Mohammed Lemaalem, Nabil Khossossi, Gaelle Bouder, Poulumi Dey, Philippe Carbonnière (2023) "Membrana a base di grafite come candidato promettente per la protezione degli elettrodi delle batterie al litio: approfondimenti dalle simulazioni atomistiche", Journal of Power Sources, Volume 581 doi: 10.1016/ j.jpowsour.2023.233482

Pubblicato il 20 agosto 2023 in Batterie, Li-metal, Contesto del mercato, Materiali | Collegamento permanente | Commenti (0)