Forskning har til formål at forbedre genopladelige batterier ved at fokusere på grafenoxidpapir

Et ingeniørhold fra Kansas State University har opdaget nogle af grafenoxids vigtige egenskaber, der kan forbedre natrium- og lithium-ion-fleksible batterier.

Gurpreet Singh, assisterende professor i mekanik og nuklear teknik, og Lamuel David, doktorand i maskinteknik, Indien, offentliggjort deres resultater i Journal of Physical Chemistry i artiklen "Reduced graphene oxide paper electrode:Opposing effect of thermal annealing on Li and Na cyclability."

Grafenoxid er en isolerende og defekt version af grafen, der kan omdannes til en leder eller en halvleder, når den opvarmes. Singh og hans team studerede grafenoxidplader som fleksible papirelektroder til natrium- og lithium-ion-batterier.

Forskerne fandt ud af, at papirelektroders natriumlagringskapacitet afhænger af afstanden mellem de enkelte lag, der kan indstilles ved at opvarme det i argon eller ammoniakgas. For eksempel, reducerede grafenoxidplader, eller rGO, produceret ved høj temperatur har næsten nul natriumkapacitet, mens reducerede grafenoxidplader produceret ved 500 grader C har den maksimale kapacitet.

"Observationen er vigtig, fordi grafit, som er en forløber for fremstilling af grafenoxid, har ubetydelig kapacitet for natrium og har længe været udelukket som levedygtig elektrode til natrium-batterier, "Singh sagde. "Grafit er det foretrukne materiale i de nuværende lithium-ion-batterier, fordi mellemlagsafstanden er den helt rigtige for de mindre størrelse lithium-ioner til at diffundere ind og ud."

Forskerne er de første til at vise, at et fleksibelt papir, der udelukkende består af grafenoxidark, kan oplades og aflades med natriumioner i mere end 1, 000 cyklusser. Natriumperchloratsalt opløst i ethylencarbonat tjente som elektrolytten i deres celler.

"De fleste lithiumelektrodematerialer til natriumbatterier kan ikke engang holde i mere end et par snesevis af opladnings- og afladningscyklusser, fordi natrium er meget større end lithium og forårsager enorme volumenændringer og skader på værtsmaterialet, " sagde Singh. "Dette design er unikt, fordi afstanden mellem individuelle grafenlag er stor nok til at tillade hurtig indsættelse og ekstraktion af natriumionerne, takket være ilt- og brintatomerne, der forhindrer ark i at stable igen."

Singh og hans team studerede også den mekaniske opførsel af elektroderne lavet af reducerede grafenoxidplader. Forskerne målte den belastning, der var nødvendig for at rive elektroderne fra hinanden. Gennem videoografi, de viste de sammenkrøllede grafenoxidpapirers evne til at opretholde store belastninger, før de fejlede.

"Sådanne målinger og undersøgelse af fejlmekanismer er vigtige for at designe batterier med lang levetid, fordi du ønsker, at elektroden skal kunne udvide sig og trække sig sammen gentagne gange uden brud i tusindvis af cyklusser, især til større non-lithium metal-ion batterier, " sagde Singh. "I disse dage, næsten alle bruger krøllet grafen som enten det ledende middel eller elastisk støtte eller begge dele."

Tidligere i år, Singh og hans team demonstrerede storskala syntese af få-lags tykke plader af molybdændisulfid. De viste også, at molybdændisulfid/grafen-kompositpapir har potentiale som en højkapacitetselektrode til natriumionbatterier. I den forskning, forskerne brugte grafen som en elektronleder til molybdændisulfidpladerne og observerede, at grafen stort set var inaktivt over for natrium.

Deres seneste forskning har vist, at i modsætning til natrium, lithiumkapaciteten af ​​rGO øges med stigende rGO-syntesetemperatur og når maksimal værdi for prøve produceret ved 900 grader C.

"Det er først nu, vi indser, at natriumkapacitet af grafen, eller rGO, er afhængig af dens behandlingstemperatur, " sagde Singh. "rGO-prøverne i vores tidligere undersøgelse blev forberedt ved 900 grader C."

Singh sagde, at forskning i natrium- og non-lithium-batterier er vigtig af flere grunde. Efterhånden som fokus skifter fra køretøjer til stationære energilagringssystemer og store køretøjer, stationære batterier skal være billigere, sikker og miljøvenlig. På grund af sin store overflod, natrium er en potentiel kandidat til at erstatte lithium-ion-batterier.

Ved at fokusere på nanoteknologi, Singh og hans team var i stand til at udforske og designe materialer, der kan opbevare natriumioner reversibelt og uden skader. De fandt deres svar i grafenoxid, som kan cykle natriumioner i mere end 1, 000 cyklusser.

Singh og hans team vil fortsætte med at udforske nye nanomaterialer og fokusere på materialer, der kan masseproduceres på en omkostningseffektiv måde.

"Vi vil gerne udføre grundlæggende undersøgelser for at forstå oprindelsen af ​​første cyklus tab, spændingshysterese, og kapacitetsnedbrydning, der er fælles for metalion-batterianoder fremstillet af 2-D lagdelte krystaller, såsom overgangsmetalchalcogenider, grafen, etc., " sagde Singh.

Forskerne ser også på andre nanomaterialer, der er blevet udelukket som batterielektroder, såsom bornitridplader og silicium-nitrogenbaseret keramik.