Forskere fremstiller fejlfrit grafen, sæt rekord reversibel kapacitet for Co3O4 anode i Li-ion batterier

(Phys.org) —Graphene er allerede blevet vist at være nyttigt i Li-ion-batterier, på trods af at den anvendte grafen ofte indeholder defekter. Storstilet fremstilling af grafen, der er kemisk ren, strukturelt ensartet, og størrelsesjusterbar til batteriapplikationer har hidtil været uhåndgribelig. Nu i en ny undersøgelse, forskere har udviklet en metode til at fremstille fejlfri grafen (df-G) uden spor af strukturelle skader. Vikle et stort ark negativt ladet df-G omkring et positivt ladet Co ₃ O ₄ skaber en meget lovende anode til højtydende Li-ion-batterier.

Forskergrupperne af professor Junk-Ki Park og professor Hee-Tak Kim fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) og professor Yong-Min Lees forskningsgruppe fra Hanbat National University, alt i Daejeon, Sydkorea, har offentliggjort deres papir om den nye fremstillingsmetode i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Som forskerne forklarer, nuværende metoder til at fremstille grafen af ​​høj kvalitet falder i to kategorier:mekaniske tilgange og kemiske tilgange. Mens mekanisk spaltning giver grafen af ​​høj kvalitet, dets lave udbytte gør den utilstrækkelig til produktion i stor skala. Kemiske tilgange, på den anden side, kan producere bulkmængder, men kan involvere ufuldkommenheder.

Den nye metode adskiller sig fra begge disse typer af metoder og involverer nogle få nøgletrin. Først fyldte forskerne et Pyrex-rør med grafitpulver, og placerede derefter det åbne rør inde i et lidt større rør. Så tilføjede de kalium til bunden mellem de to rør, forseglet rørene, og opvarmede dem. Varmen får det smeltede kalium til at bevæge sig inde i mikroporerne mellem grafitpulverne, så kaliummolekylerne bliver interkaleret i grafitmellemlagene. De resulterende kaliumgrafitforbindelser blev derefter anbragt i en pyridinopløsning, hvilket får lagene til at udvide sig væk fra hinanden og danne grafen nanoark, der senere kunne afkøles og eksfolieres et lag ad gangen.

Forskerne udførte mange sæt eksperimenter, hvor de varierede faktorer såsom temperaturer og typen af ​​opløsning, som er afgørende for at kontrollere kvaliteten og størrelsen af ​​df-G. De fandt ud af, at ved at kontrollere temperaturen på eksfolieringstrinnet, størrelsen af ​​df-G kan varieres mellem 0,25 og 14,0 µm ² .

Forskerne påviste, at vikling af et stort negativt ladet ark af df-G omkring et positivt ladet stykke Co ₃ O ₄ skaber en anode med flere imponerende egenskaber. Mest markant er dens høje kapacitet efter mange cyklusser (1050 mAh/g ved 500 mA/g og 900 mAh/g ved 1000 mAh/g selv efter 200 cyklusser). Efter forskernes bedste overbevisning, denne reversible kapacitet er den højeste blandt alle Co ₃ O ₄ elektroder nogensinde rapporteret.

Forskerne forklarer, at den store df-G, med sin perfekte krystallinitet, forbedrer anodeydelsen, fordi når et enkelt grafenark vikles rundt om et bundt Co ₃ O ₄ partikler, Co ₃ O ₄ partikler forhindres i at blive pulveriserede og derefter elektrisk løsne sig fra anoden, som ellers ville forekomme. På grund af denne beskyttende effekt, anodens kapacitet bevares selv efter 200 cyklusser, hvorimod anoder med et ufuldkomment grafenlag hurtigt falder med cykling. Den store størrelse af grafen spiller en nøglerolle i ydeevnen, fordi en større størrelse giver en højere cyklusstabilitet af anodematerialerne i nanostørrelse ved at forbedre deres mekaniske integritet.

Med disse fordele, forskerne forventer, at df-G vil bringe betydelige fremskridt inden for kompositelektroder til en række elektrokemiske systemer, inklusive batterier, brændstofceller, og kondensatorer.

© 2014 Phys.org