Ingeniør bringer nyt twist til natriumionbatteriteknologi med opdagelse af fleksible molybdendisulfidelektroder

(Phys.org) - En ingeniør fra Kansas State University har fået et gennembrud inden for genopladelige batteriapplikationer.

Gurpreet Singh, adjunkt i maskin- og atomteknik, og hans studenterforskere er de første til at demonstrere, at et sammensat papir - fremstillet af sammenflettet molybdendisulfid og grafen -nanosheets - både kan være et aktivt materiale til effektivt at lagre natriumatomer og en fleksibel strømopsamler. Det nyudviklede kompositpapir kan bruges som en negativ elektrode i natriumionbatterier.

"De fleste negative elektroder til natriumionbatterier bruger materialer, der undergår en 'legerings' reaktion med natrium, "Sagde Singh." Disse materialer kan svulme op til 400 til 500 procent, når batteriet oplades og aflades, hvilket kan resultere i mekanisk beskadigelse og tab af elektrisk kontakt med strømkollektoren. "

"Molybdendisulfid, hovedelementet i papirelektroden, tilbyder en ny slags kemi med natriumioner, som er en kombination af interkalering og en reaktion af en konverteringstype, "Singh sagde." Papirelektroden tilbyder en stabil opladningskapacitet på 230 mAh.g-1, med hensyn til total elektrodevægt. Yderligere, papirelektrodens sammenflettede og porøse struktur tilbyder glatte kanaler, hvor natrium kan diffundere ind og ud, når cellen oplades og udledes hurtigt. Dette design eliminerer også de polymere bindemidler og kobberstrømfangerfolie, der bruges i en traditionel batterielektrode. "

Forskningen fremgår af det seneste nummer af tidsskriftet ACS Nano i artiklen "MoS2/grafen-kompositpapir til natriumionbatterielektroder."

I de sidste to år har forskerne udviklet nye metoder til hurtig og omkostningseffektiv syntese af atomtynde todimensionale materialer-grafen, molybdæn og wolframdisulfid - i gram mængder, især til genopladelige batteriprogrammer.

For den nyeste forskning, ingeniørerne skabte et stort område kompositpapir, der bestod af syrebehandlet lagdelt molybdendisulfid og kemisk modificeret grafen i en sammenflettet struktur. Forskningen markerer første gang, at en sådan fleksibel papirelektrode blev brugt i et natriumionbatteri som en anode, der fungerer ved stuetemperatur. De fleste kommercielle natrium-svovlbatterier fungerer tæt på 300 grader Celsius, Sagde Singh.

Singh sagde, at forskningen er vigtig af to grunde:

1. Syntese af store mængder enkelt- eller få-lag-tykke 2-D-materialer er afgørende for at forstå det sande kommercielle potentiale for materialer som f.eks. Overgangsmetal-dichalcogenider, eller TMD, og grafen.

2. Grundlæggende forståelse for, hvordan natrium opbevares i et lagdelt materiale gennem andre mekanismer end den konventionelle interkalerings- og legeringsreaktion. Ud over, brug af grafen som den fleksible understøtning og strømopsamler er afgørende for at fjerne kobberfolien og lave lettere og bøjelige genopladelige batterier. I modsætning til lithium, natriumforsyninger er i det væsentlige ubegrænsede, og batterierne forventes at være meget billigere.

"Set fra syntesens synspunkt, vi har vist, at visse overgangsmetaldichalcogenider kan eksfolieres i stærke syrer, "Singh sagde." Denne metode bør muliggøre syntese af grammængder af få lag tykke molybdendisulfidark, hvilket er meget afgørende for applikationer såsom fleksible batterier, superkondensatorer, og polymerkompositter. For sådanne applikationer, TMD -flager, der er få atomer tykke, er tilstrækkelige. Enlagsflager af meget høj kvalitet er ikke en nødvendighed. "

Forskerne arbejder på at kommercialisere teknologien, med bistand fra universitetets institut for kommercialisering. De undersøger også lithium og natriumlagring i andre nanomaterialer.