Ingeniør, der fremstiller genopladelige batterier med lagdelte nanomaterialer

(Phys.org) - En forsker fra Kansas State University udvikler mere effektive måder at spare omkostninger på, tid og energi, når du laver nanomaterialer og lithium-ion-batterier.

Gurpreet Singh, adjunkt i maskin- og atomteknik, og hans forskerhold har udgivet to nylige artikler om nyere, billigere og hurtigere metoder til at skabe nanomaterialer, der kan bruges til lithium-ion-batterier. I det forløbne år, Singh har udgivet otte artikler-heraf fem involverer forskning i lithium-ion-batterier.

"Vi udforsker nye metoder til hurtig og omkostningseffektiv syntese af todimensionelle materialer til genopladelige batteriapplikationer, " sagde Singh. "Vi er interesserede i denne forskning, fordi vi forstår lithium-interaktion med enkelt-, dobbelt- og flerlagstykke materialer vil i sidste ende give os mulighed for at designe batterielektroder til praktiske anvendelser. Dette inkluderer batterier, der viser forbedret kapacitet, effektivitet og længere levetid."

For den nyeste forskning, Singhs team skabte grafenfilm, der er mellem to og 10 lag tykke. Grafen er en atomtyk plade af kulstof. Forskerne voksede grafenfilmene på kobber og nikkelfolier ved hurtigt at opvarme dem i en ovn i nærvær af kontrollerede mængder argon, brint og metangasser. Holdet har været i stand til at skabe disse film på mindre end 30 minutter. Deres arbejde fremgår af januar-udgaven af ​​ACS-Applied Materials and Interfaces i en artikel med titlen "Syntese af grafenfilm ved hurtig opvarmning og slukning ved omgivende tryk og deres elektrokemiske karakterisering."

Forskningen er vigtig, fordi forskerne skabte disse grafenplader ved hurtigt at opvarme og afkøle kobber- og nikkelsubstraterne ved atmosfærisk tryk, hvilket betyder, at videnskabsmænd ikke længere har brug for et vakuum for at skabe få-lags tykke grafenfilm og kan spare energi, tid og omkostninger, sagde Singh.

Forskerne brugte disse grafenfilm til at skabe den negative elektrode af en lithium-ion-celle og studerede derefter opladnings- og afladningsegenskaberne for dette genopladelige batteri. De fandt, at grafenfilmene dyrket på kobber ikke cykliserede litiumionerne, og batterikapaciteten var ubetydelig. Men grafen dyrket på nikkel viste forbedret ydeevne, fordi det var i stand til at lagre og frigive lithiumioner mere effektivt.

"Vi mener, at denne adfærd opstår, fordi plader af grafen på nikkel er relativt tykke nær korngrænserne og stablet på en veldefineret måde - kaldet Bernal Stacking - hvilket giver flere steder for nem optagelse og frigivelse af lithium-ioner, når batteriet aflades og opkrævet, " sagde Singh.

I et andet forskningsprojekt, forskerne skabte wolfram disulfid nanosheets, der var cirka 10 lag tykke. Startende med bulk wolframdisulfidpulver - som er en type tørt smøremiddel, der bruges i bilindustrien - var holdet i stand til at adskille atomlagstykke ark af wolframdisulfid i en stærk syreopløsning. Denne enkle metode gjorde det muligt at fremstille plader i store mængder. Ligesom grafen, wolframdisulfid har også en lagdelt atomstruktur, men de enkelte lag er tre atomer tykke.

Forskerne fandt ud af, at disse syrebehandlede wolframdisulfidplader også kunne lagre og frigive lithiumioner, men på en anden måde. Lithiumet lagres gennem en omdannelsesreaktion, hvor wolframdisulfid dissocierer og danner wolfram og lithiumsulfid, efterhånden som cellen aflades. I modsætning til grafen, denne reaktion involverer overførsel af mindst to elektroner pr. wolframatom. Dette er vigtigt, fordi forskere længe har set bort fra sådanne forbindelser som batterianoder på grund af vanskeligheden forbundet med at tilsætte lithium til disse materialer, sagde Singh. Det er først for nylig, at de konverteringsreaktionsbaserede batterianoder har vundet popularitet.

"Vi indser også, at wolframdisulfide er en tung forbindelse sammenlignet med avanceret grafit, der bruges i nuværende lithium-ion-batterier, " sagde Singh. "Derfor er wolframdisulfid muligvis ikke et ideelt elektrodemateriale til bærbare batterier."

Forskningen optrådte i et nyligt nummer af Journal of Physical Chemistry Letters i en artikel med titlen "Syntese af overfladefunktionaliserede WS2 nanoark og ydeevne som Li-ion batterianoder."

Begge projekter er vigtige, fordi de kan hjælpe forskere med at skabe nanomaterialer på en omkostningseffektiv måde. Mens mange undersøgelser har fokuseret på at lave grafen ved hjælp af kemiske lavtryksprocesser, lidt forskning er blevet forsøgt ved hjælp af hurtig opvarmning og afkøling ved atmosfærisk tryk, sagde Singh. Tilsvarende store mængder enkeltlags og flerlags tykke ark wolframdisulfid er nødvendige til andre applikationer.

"Interessant nok, til de fleste applikationer, der involverer denne form for batteriforskning og korrosionsforebyggelse, film, der er få atomer tykke, er normalt tilstrækkelige, "Singh sagde. "Meget høj kvalitet store område enkelt-atom-tykke film er ikke en nødvendighed."

Singh planlægger fremtidig forskning for at studere, hvordan disse lagdelte nanomaterialer kan skabe bedre elektroder i form af heterostrukturer, som i det væsentlige er tredimensionelle stablede strukturer, der involverer skiftevis lag af grafen og wolfram eller molybdendisulfid.