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Usando hidrogênio para aprimorar baterias de íon de lítio

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Nanotecnologia

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore descobriram que as baterias de íon de lítio operar por mais tempo e mais rápido quando seus eletrodos são tratados com hidrogênio



Baterias de íon de lítio (LIBs) são uma classe de tipos de baterias recarregáveis ​​em que lítio íons se movem a partir do eletrodo negativo para o eletrodo positivo durante a descarga e volta durante o carregamento.

A crescente demanda por armazenamento de energia sublinha a necessidade urgente de baterias de alto desempenho. Várias características-chave de iões de lítio da bateria desempenho de capacidade, tensão e energia densidade-se, em última análise determinada pela ligação entre íons de lítio e o material de eletrodo. Mudanças sutis na estrutura, química e forma de um eletrodo pode afetar significativamente o quão fortemente íons de lítio de ligar.

Através de experimentos e cálculos, a equipe descobriu que Livermore hidrogênio tenha sido tratada com eletrodos de grafeno nanofoam nos LIBs mostrar maior capacidade e transporte mais rápido.

"Estes resultados fornecem insights qualitativos para ajudar a concepção de materiais à base de grafeno de eletrodos de alta potência", disse Morris Wang, um cientista de materiais LLNL e co-autor do artigo que aparece na edição de 05 de novembro de Natureza relatórios científicos.

As baterias de íon de lítio estão crescendo em popularidade para aplicações em veículos aeroespaciais e elétricos. Por exemplo, de iões de lítio baterias estão se tornando um substituto comum para os acumuladores de chumbo que foram usados ​​historicamente para carrinhos de golfe e veículos utilitários. Em vez de placas de chumbo pesados ​​e eletrólitos ácidos, a tendência é a utilização de baterias de íon de lítio leves que podem fornecer a mesma tensão que baterias de chumbo-ácido sem a necessidade de modificação do sistema de movimentação do veículo.

As aplicações comerciais de materiais de grafeno para dispositivos de armazenamento de energia, incluindo lítio baterias de íon e supercapacitores, dependem crucialmente da capacidade de produzir esses materiais em grande quantidade ea baixo custo. No entanto, os métodos de síntese químicos frequentemente utilizados deixar atrás quantidades significativas de hidrogênio atômico, cujo efeito sobre o desempenho electroquimico de derivados grafene é difícil de determinar.

No entanto, cientistas de Livermore fez exatamente isso. Seus experimentos e cálculos multiscale revelar que o tratamento de baixa temperatura deliberada de grafeno rico em hidrogênio com defeito pode realmente melhorar a capacidade de taxa.
Hidrogênio interage com os defeitos no grafeno e abre aberturas pequenas para facilitar a penetração mais fácil de lítio, o que melhora o transporte. Capacidade reversível adicional é fornecido pelo aumento de lítio de ligação próximos bordas, onde o hidrogênio é mais provável de se ligar.

"A melhoria de desempenho que vimos nos eletrodos é um avanço que tem aplicações do mundo real", disse Jianchao Ye, que é um cientista da equipe pós-doutorado em Ciência de Materiais Divisão do Lab, e autor principal do papel.

Para estudar o envolvimento de hidrogênio e defeitos hidrogenados na capacidade de armazenamento de lítio de grafeno, a equipe aplicou várias condições de tratamento térmico combinado com a exposição de hidrogênio e olhou para o desempenho eletroquímico de 3-D) nanofoam grafeno (GNF) eletrodos, que são compostos principalmente grafeno de defeito. A equipe usou 3-D nanofoams grafeno, devido às suas inúmeras aplicações potenciais, incluindo o armazenamento de hidrogênio, catálise, filtração, isolamento, absorventes de energia, dessalinização capacitiva, supercapacitores e LIBs.

A natureza livre de aglutinante de grafeno espuma 3D torna ideais para estudos mecanicistas sem as complicações causadas por aditivos.

"Nós encontramos uma capacidade taxa melhorou drasticamente em eletrodos de grafeno nanofoam após o tratamento de hidrogênio.

Ao combinar os resultados experimentais com as simulações detalhadas, fomos capazes de rastrear as melhorias para interações sutis entre defeitos e dissociado de hidrogênio. Isso resulta em algumas pequenas alterações para o grafeno química e morfologia que vir a ter um efeito surpreendentemente enorme no desempenho ", disse o cientista LLNL Brandon Wood, que dirigiu o esforço teoria no papel.

A investigação sugere que o tratamento controlado de hidrogênio pode ser utilizada como uma estratégia para a optimização do transporte e armazenamento reversível de lítio em outros materiais de ânodo à base de grafene.

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» Using hydrogen to enhance lithium ion batteries
» Phys-Org