Iboende ustablet dobbeltlagsgrafen til højhastigheds lithium-svovl-batterier

Ved at introducere et stort antal fremspring på grafenlag under kemisk dampaflejring (CVD) syntese, videnskabsmænd har fremstillet iboende ustablet dobbeltlagsgrafen med et højt specifikt overfladeareal, fremragende elektrisk ledningsevne, og mesoporøs struktur. Den ustablede dobbeltlags grafen, beskrevet i journalen Naturkommunikation , kunne være fremragende katodematerialer til højeffekt lithium-svovl-batterier.

Grafen er et lovende funktionelt materiale til en række anvendelser, herunder energilagring på grund af dets ekstraordinære elektriske og mekaniske egenskaber. Imidlertid, grafenlag har en tendens til at stable med hinanden på grund af deres enorme overfladeareal og stærke π-π-interaktioner mellem flerlagsgrafen med en mellemlagsafstand på ca. 0,334 nm. Denne stabling resulterer i et meget mindre overfladeareal af den opnåede grafen, med dårlig energilagringsydelse. Det er nødvendigt at undgå stabling for at forstærke grafens iboende egenskaber og lette praktisk anvendelse.

Forskere har udforsket adskillige nye tilgange til at hæmme stabling af grafen. De fleste af dem er baseret på indførelsen af ​​afstandsstykker såsom metaloxider, ledende polymerer, kønrøg, eller kulstof nanorør ind i mellemlagsrummene. Imidlertid, sådanne hybridiseringsprocesser forårsager uundgåeligt ændringer i grafens iboende egenskaber og/eller inducerer dårlige grænseflader.

Forskere ved Tsinghua University (Kina) har nu med succes fremstillet iboende ustablet dobbeltlagsgrafen gennem skabelonstyret CVD. Et hold ledet af prof. Qiang Zhang og Fei Wei udforskede ideen om at bruge mesoporøse nanoflager som skabelon. Grafenlagene aflejres på den mesoporøse skabelon og støbes ind i dens mesoporøse struktur, hvor kulstofatomerne aflejret i mesoporerne danner grafenfremspringene og fungerer som afstandsstykker for at forhindre stabling af grafenlagene aflejret på begge sider af de mesoporøse flager. Følgelig, dobbeltlags skabelongrafen sammensat af to grafenlag med et stort antal fremspring kan genvindes efter fjernelse af de mesoporøse flager.

"Tilstedeværelsen af ​​et stort antal mesoporer i nanoflakeskabelonen giver anledning til fremspring med en høj tæthed på ca. 5,8 × 10 ¹⁴ m ^-2 og størrelser varierede fra 2 til 7 nm mellem grafenlag, " Første-forfatter Meng-Qiang Zhao fortæller Phys.org. "Udspringene spiller en vigtig rolle i at forhindre stabling af grafenlag. Udover, tilstedeværelsen af ​​sådanne fremspring på overfladen af ​​grafen kan svække π-π-vekselvirkningerne mellem grafenlag og dermed forhindre stabling af tilstødende dobbeltlagsskabelongrafen til en vis grad." dobbeltlagsgrafen viser et højt specifikt overfladeareal på 1628 m ² g-1, rigelige mesoporer med størrelsen fra 2 til 7 nm, og et samlet porevolumen på 2,0 cm ³ g ^-1 .

Lithium-svovl-batterier er en af ​​de mest lovende energilagringsteknologier på grund af høj energitæthed. Imidlertid, deres krafttæthed og dårlige cykelstabilitet har altid været en vigtig hindring for deres praktiske anvendelse. Når du bruger ustablet dobbeltlagsgrafen som katodematerialer, videnskabsmænd var i stand til at fremstille lithium-svovl-batterier med fremragende høj-effekt ydeevne. Høj reversibel kapacitet på 1034 og 734 mA h g ^-1 blev opnået ved høje udledningshastigheder på 5 og 10 C, henholdsvis. Selv efter 1000 cyklusser, høje reversible kapaciteter på ca. 530 og 380 mA h g ^-1 blev holdt ved 5 og 10 C, med coulombiske effektivitetskonstanter ved ca. 96 og 98 %, henholdsvis.

"Den fremragende ydeevne med høj effekt kan tilskrives den ekstraordinære elektriske ledningsevne og unikke mesoporøse struktur af den ustablede dobbeltlagsgrafen, " Prof. Zhang forklarede. Den ustablede dobbeltlagsgrafens unikke porøse struktur tillader effektiv opbevaring af svovl i det mesosiserede lamellære mellemlagsrum, hvilket giver anledning til en effektiv forbindelse mellem svovl og grafen og forhindrer diffusion af polysulfider ind i elektrolytten. Følgelig, der opnås en fremragende højeffektydelse af lithium-svovlcellerne med en høj kapacitet og god stabilitet.

"Vi forventer, at de udstablede dobbeltlags grafenmaterialer rummer potentiale i applikationer til miljøbeskyttelse, nanokompositter, elektroniske anordninger, og personlig sundhedspleje på grund af deres iboende store overfladeareal, ekstraordinær termisk og elektrisk ledningsevne, robust 3D stillads, afstembar overfladekemi, og biokompatibel grænseflade, " sagde prof. Zhang, "Fordi ustablede lagdelte nanostrukturer ikke er begrænset til grafen, vi forudser en ny gren af ​​kemi, der udvikler sig i stabiliseringen af ​​nanostrukturer gennem 3D topologiske porøse systemer."