Direkte konvertering af rustent rustfrit stålnet til stabilt, billige elektroder til kalium-ion-batterier

Kinesiske videnskabsmænd har gjort god brug af affald, mens de har fundet en innovativ løsning på et teknisk problem ved at omdanne rustent rustfrit stålnet til elektroder med fremragende elektrokemiske egenskaber, der gør dem ideelle til kalium-ion-batterier. Som rapporteret i journalen Angewandte Chemie , rusten omdannes direkte til et kompakt lag med en gitterstruktur, der kan lagre kaliumioner. En belægning af reduceret grafitoxid øger ledningsevnen og stabiliteten under opladnings-/afladningscyklusser.

Øget brug af vedvarende energi kræver effektiv energilagring i nettet. Lithium-ion batterier, udbredt i bærbar elektronik, er lovende kandidater. Lithium-ion-batterier er baseret på forskydning af lithium-ioner. Under opladning, ionerne bevæger sig mod grafitelektroden, hvor de er lagret mellem lagene af kulstof. Ved udskrivning, de frigives. Imidlertid, lithium er dyrt og reserver er begrænsede. Natrium-ion-batterier er blevet undersøgt som et alternativ.

"Kaliumioner er lige så billige og let tilgængelige som natrium, og kaliumion-batterier ville være overlegne fra det elektriske aspekt, " rapporterer Xin-Bo Zhang. "Men, den betydeligt større radius af kaliumionerne har udgjort et problem. Gentagen opbevaring og frigivelse af disse ioner destabiliserer de materialer, der i øjeblikket anvendes i elektroder."

Zhang og et team fra det kinesiske videnskabsakademi og Jilin University (Changchun, Kina) har nu fundet en elegant løsning i deres brug af et affaldsmateriale til at fremstille nye elektroder:afvist rustfrit stålnet fra filtre og sigter. På trods af den fremragende holdbarhed af disse gitre, barske forhold fører til en vis korrosion. Metallet kan genvindes i en ovn, men denne proces kræver mange penge, tid, og energi, samt producere emissioner. Zhang siger:"Omdannelse til elektroder kan udvikle sig til en mere økologisk og økonomisk fornuftig form for genbrug."

Det korroderede net dyppes i en opløsning af kaliumferrocyanid (gul prussiat af kaliumchlorid, kendt som et bødemiddel til vin). Dette opløser jern, krom, og nikkelioner ud af rustlaget. Disse kombineres med ferricyanidioner til det komplekse salt kendt som preussisk blå, et mørkeblåt pigment, der aflejres på overfladen af ​​nettet som stilladslignende nanokuber. Kaliumioner kan nemt og hurtigt lagres i og frigives fra disse strukturer.

Forskerne bruger derefter en dip-coating-proces til at afsætte et lag af grafenoxid (oxiderede grafitlag). Dette lag putter sig tæt på nanokuberne. Efterfølgende reduktion konverterer grafenoxidet til reduceret grafenoxid (RGO), som består af lag af grafit med isolerede iltatomer. Zhang forklarer, "RGO-belægningen hæmmer sammenklumpning og frigørelse af det aktive materiale. Samtidig det øger ledningsevnen betydeligt og åbner ultrahurtige elektrontransportveje."

I test, møntceller lavet med disse nye elektroder viser fremragende kapacitet, afladningsspændinger, rate evne, og enestående cyklusstabilitet. Fordi den billige, bindemiddelfri elektroder er meget fleksible, de er særdeles velegnede til brug i fleksible elektroniske enheder.