Mejora de las baterías de iones de sodio con grafeno nanocelular mecánicamente robusto
Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno ha revolucionado el campo de la ciencia de los materiales y más allá. El grafeno está formado por láminas bidimensionales de átomos de carbono, unidos en una fina forma hexagonal con un grosor de una capa de un átomo. Esto le confiere unas propiedades físicas y químicas extraordinarias. A pesar de su delgadez, el grafeno es increíblemente resistente, ligero, flexible y transparente. También presenta una extraordinaria conductividad eléctrica y térmica, una gran superficie e impermeabilidad a los gases. Desde transistores de alta velocidad hasta biosensores, sus aplicaciones son de una versatilidad inigualable.
Ilustración esquemática de la formación de NCG durante el dealloying de metal líquido de una aleación amorfa de manganeso-carbono (Mn-C) en bismuto (Bi) fundido para inducir la disolución selectiva de átomos de manganeso (Mn) y la autoorganización de átomos de carbono (C) en capas de grafeno.
S.H. Joo & H. Kato
El grafeno nanocelular (NCG) es una forma especializada de grafeno que consigue una gran superficie específica apilando múltiples capas de grafeno y controlando su estructura interna con una morfología celular a nanoescala.
El NCG es codiciado por su potencial para mejorar el rendimiento de dispositivos electrónicos, energéticos y sensores. Pero su desarrollo se ha visto obstaculizado por los defectos que se producen durante el proceso de fabricación. A menudo aparecen grietas al formar NCG, por lo que los científicos buscan nuevas tecnologías de procesamiento que permitan fabricar NCG homogéneos, sin grietas ni costuras a escalas adecuadas.
"Descubrimos que los átomos de carbono se autoensamblan rápidamente en NCG sin grietas durante el dealloying de metal líquido de un precursor amorfo de Mn-C en bismuto fundido", explica Won-Young Park, estudiante de posgrado de la Universidad de Tohoku.
El dealloying es una técnica de procesado que aprovecha la miscibilidad variable de los componentes de una aleación en un baño de metal fundido. Este proceso corroe selectivamente ciertos componentes de la aleación mientras preserva otros.
Park y sus colegas demostraron que los NCG desarrollados con este método presentaban una elevada resistencia a la tracción y una alta conductividad tras la grafitización. Además, pusieron a prueba el material en una batería de iones de sodio (SIB).
"Utilizamos el NCG desarrollado como material activo y colector de corriente en una SIB, donde demostró una alta tasa, una larga vida útil y una excelente resistencia a la deformación. En última instancia, nuestro método de fabricación de NCG sin grietas permitirá elevar el rendimiento y la flexibilidad de las SIB, una tecnología alternativa a las baterías de iones de litio para determinadas aplicaciones, sobre todo en sistemas de almacenamiento de energía a gran escala y sistemas de alimentación estacionarios en los que priman consideraciones de coste, seguridad y sostenibilidad."
Junto a Park trabajaron Soo-Hyun Joo, del Instituto de Investigación de Materiales (actualmente en la Universidad de Dankook), e Hidemi Kato, del mismo instituto.
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Publicación original
Wong‐Young Park, Jiuhui Han, Jongun Moon, Soo‐Hyun Joo, Takeshi Wada, Yuji Ichikawa, Kazuhiro Ogawa, Hyoung Seop Kim, Mingwei Chen, Hidemi Kato; "Mechanically Robust Self‐Organized Crack‐Free Nanocellular Graphene with Outstanding Electrochemical Properties in Sodium Ion Battery"; Advanced Materials, 2024-2-23
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