Technische onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute maakten een vel papier van 's werelds dunste materiaal, grafeen, en vervolgens het papier met een laser of cameraflitser zapte om het te besmeuren met talloze scheuren, poriën, en andere onvolkomenheden. Het resultaat is een grafeenanodemateriaal dat 10 keer sneller kan worden opgeladen of ontladen dan conventionele grafietanodes die worden gebruikt in de huidige lithium (Li)-ionbatterijen.

Oplaadbare Li-ion-batterijen zijn de industriestandaard voor mobiele telefoons, laptop- en tabletcomputers, elektrische auto's, en een reeks andere apparaten. Hoewel Li-ion-batterijen een hoge energiedichtheid hebben en grote hoeveelheden energie kunnen opslaan, ze hebben een lage vermogensdichtheid en kunnen niet snel energie opnemen of ontladen. Deze lage vermogensdichtheid is de reden waarom het ongeveer een uur duurt om de batterij van uw mobiele telefoon of laptop op te laden, en waarom elektrische automotoren niet alleen op batterijen kunnen vertrouwen en een supercondensator nodig hebben voor krachtige functies zoals accelereren en remmen.

Het onderzoeksteam van Rensselaer, onder leiding van nanomaterialen-expert Nikhil Koratkar, getracht dit probleem op te lossen en een nieuwe batterij te maken die grote hoeveelheden energie kan bevatten, maar deze energie ook snel kan accepteren en vrijgeven. Een dergelijke innovatie zou de behoefte aan de complexe koppeling van Li-ionbatterijen en supercondensatoren in elektrische auto's kunnen verlichten, en leiden tot eenvoudiger, beter presterende automotoren die uitsluitend zijn gebaseerd op krachtige Li-ion-batterijen. Koratkar en zijn team hebben er alle vertrouwen in dat hun nieuwe batterij, gecreëerd door opzettelijk technische defecten in grafeen, is een cruciale opstap naar het realiseren van dit grootse doel. Dergelijke batterijen kunnen ook de tijd die nodig is om draagbare elektronische apparaten op te laden, van telefoons en laptops tot medische apparaten die door paramedici en eerstehulpverleners worden gebruikt, aanzienlijk verkorten.

“Li-ion batterijtechnologie is prachtig, maar echt gehinderd door zijn beperkte vermogensdichtheid en zijn onvermogen om snel grote hoeveelheden energie te accepteren of te ontladen. Door ons defect ontworpen grafeenpapier te gebruiken in de batterijarchitectuur, Ik denk dat we kunnen helpen deze beperking te overwinnen, " zei Koratkar, de John A. Clark en Edward T. Crossan Professor of Engineering aan Rensselaer. “Wij geloven dat deze ontdekking rijp is voor commercialisering, en kan een aanzienlijke impact hebben op de ontwikkeling van nieuwe batterijen en elektrische systemen voor elektrische auto's en draagbare elektronica-toepassingen.” De resultaten van het onderzoek werden deze week gepubliceerd door het tijdschrift ACS Nano in de paper "Foto-thermisch gereduceerd grafeen als anodes met hoog vermogen voor lithium-ionbatterijen."

Koratkar en zijn team begonnen grafeen te onderzoeken als een mogelijke vervanging voor het grafiet dat wordt gebruikt als anodemateriaal in de huidige Li-ion-batterijen. In wezen een enkele laag van het grafiet dat gewoonlijk wordt aangetroffen in onze potloden of de houtskool die we op onze barbecues verbranden, grafeen is een atoomdikke laag koolstofatomen die is gerangschikt als een kippengaashek op nanoschaal. In eerdere onderzoeken is Li-ionbatterijen met grafietanodes vertoonden een goede energiedichtheid maar een lage vermogensdichtheid, wat betekent dat ze niet snel konden opladen of ontladen. Dit langzame opladen en ontladen was omdat lithiumionen alleen fysiek de grafietanode van de batterij konden binnenkomen of verlaten vanaf de randen, en langzaam banen zich een weg over de lengte van de afzonderlijke lagen grafeen.

Koratkars oplossing was om een ​​bekende techniek te gebruiken om een ​​groot vel grafeenoxidepapier te maken. Dit papier heeft ongeveer de dikte van een stuk gewoon printerpapier, en kan bijna elke maat of vorm worden gemaakt. Het onderzoeksteam stelde vervolgens een deel van het grafeenoxidepapier bloot aan een laser, en andere monsters van het papier werden blootgesteld aan een eenvoudige flits van een digitale camera. In beide gevallen, de hitte van de laser of fotoflits veroorzaakte letterlijk mini-explosies door het hele papier, terwijl de zuurstofatomen in grafeenoxide met geweld uit de structuur werden verdreven. De nasleep van deze zuurstofuittocht waren vellen grafeen die pokdalig waren met talloze scheuren, poriën, leegtes, en andere onvolkomenheden. De druk die door de ontsnappende zuurstof werd gecreëerd, zorgde er ook voor dat het grafeenpapier vijf keer zo dik werd, het creëren van grote holtes tussen de afzonderlijke grafeenvellen.

De onderzoekers ontdekten al snel dat dit beschadigde grafeenpapier opmerkelijk goed presteerde als anode voor een Li-ionbatterij. Terwijl voorheen de lithiumionen langzaam de volledige lengte van grafeenplaten doorkruisten om op te laden of te ontladen, de ionen gebruikten nu de scheuren en poriën als snelkoppelingen om snel in of uit het grafeen te gaan, waardoor de algehele vermogensdichtheid van de batterij aanzienlijk toenam. Het team van Koratkar demonstreerde hoe hun experimentele anodemateriaal 10 keer sneller kon opladen of ontladen dan conventionele anodes in Li-ion-batterijen zonder een significant verlies aan energiedichtheid op te lopen. Ondanks de talloze poriën op microschaal, scheuren, en holtes die alomtegenwoordig zijn in de structuur, de grafeenpapieranode is opmerkelijk robuust, en bleef succesvol presteren, zelfs na meer dan 1 000 laad-/ontlaadcycli. De hoge elektrische geleidbaarheid van de grafeenplaten maakte ook efficiënt elektronentransport in de anode mogelijk, wat een andere noodzakelijke eigenschap is voor toepassingen met hoog vermogen.

Koratkar zei dat het proces van het maken van deze nieuwe grafeenpapieranodes voor Li-ionbatterijen eenvoudig kan worden opgeschaald om aan de behoeften van de industrie te voldoen. Het grafeenpapier kan in vrijwel elke maat en vorm worden gemaakt, en de fotothermische belichting door laser- of cameraflitsen is een gemakkelijk en goedkoop proces om te repliceren. De onderzoekers hebben octrooibescherming aangevraagd voor hun ontdekking. De volgende stap voor dit onderzoeksproject is om het grafeenanodemateriaal te koppelen aan een krachtig kathodemateriaal om een ​​volle batterij te bouwen.