硼化合物理论上能够储存锂离子电池中使用的普通石墨阳极的双倍能量

由理论物理学家鲍里斯·雅各布森的莱斯实验室进行的计算发现，石墨烯/硼阳极应该能够容纳大量锂并在适当的电压下运行以用于锂离子电池。该发现出现在美国化学学会的物理化学快报杂志上。

随着世界各地的实验室生长并测试一个原子厚度的碳，石墨烯提供的可能性日益明显。由于它尽可能薄，电池制造商希望利用石墨烯的大量表面积来储存锂离子。计算材料的两面，一克将覆盖2,630平方米，或接近半个足球场。

但是有一个问题。离子不会很好地粘附在石墨烯上。

“正如石墨烯经常发生的那样，人们超出了吸收锂的绝对程度，”雅科布森说，他的小组基于内在能量分析原子之间的关系。“但在实验中，他们看不到它，他们感到沮丧。”

本田研究所的科学家们对电动汽车的强大电池感兴趣，他们要求Yakobson查看情况。“我们研究了理想石墨烯片的理论容量，然后研究了它如何能够或不能从曲率(纳米管)或拓扑缺陷中受益。我们最初的期望是它会改善锂结合。

“但该理论没有显示出任何显着的改善，”他说。“我很失望，但实验主义者感到满意，因为现在他们的意见是有道理的。”

涉及具有缺陷的石墨烯的计算，其中蜂窝阵列被五原子和七原子多边形破坏，并没有更好的表现。“所以我们决定探索不同类型的缺陷，我们用另一种元素取代一些碳原子，为锂产生更具吸引力的位置，”他说。“硼就是其中之一。”

Yakobson说，碳/硼化合物中四分之一的碳原子被硼取代，这几乎是理想的激活石墨烯储存锂的能力。硼吸引锂离子进入基质，但不是很强烈，以至于它们不能被更有吸引力的阴极从碳/硼阳极上拉开。

他说：“在晶格中加入硼会产生很好的结合，因此容量足够大，是石墨的两倍，”是商用锂离子电池中最常用的电极。“与此同时，电压也是正确的。”

Yakobson和Rice研究生YuanyueLiu，该论文的第一作者，计算出完全锂化的二维石墨烯/硼片的容量为每克714毫安小时。这意味着当与商业锂钴氧化物阴极配对时，能量密度为每公斤2,120瓦时，远远大于石墨。他们还确定材料在充电和放电时不会急剧膨胀或收缩。

“在这种情况下，它似乎非常合理且超出-理论上，至少-现在可用的，”雅各布森说。

重要的一步是找到一种合成大量碳/硼化合物的方法。“它确实存在，但它没有商业化，”他说。

该论文的共同作者是Rice研究员VasiliiArtyukhov，Rice研究生MingjieLiu和AvetikHarutyunyan，本田研究所的首席科学家。Yakobson是机械工程和材料科学的KarlF.Hasselmann教授和化学教授。

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