(Phys.org) — Toen Ovadia Lev, Hoogleraar Milieuchemie en Gezondheid aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, en zijn onderzoeksteam een ​​paar jaar geleden een nieuwe coatingtechnologie ontwikkelden, ze vonden het een interessante uitkomst van hun onderzoek naar waterstofperoxideoplossingen. Echter, ze wisten niet wat ze ermee moesten doen totdat ze een team van onderzoekers ontmoetten die op zoek waren naar een eenvoudige manier om nieuwe anodematerialen voor lithium-ionbatterijen te synthetiseren, zoals grafeen-tinoxide composieten.

"Sinds een aantal jaren mijn laboratorium, in samenwerking met mijn voormalig postdoctoraal student en huidige onderzoekspartner, Dr. Petr Prichodchenko, heeft onderzoek gedaan naar sol-gel-chemie in waterstofperoxiderijke oplossingen, "Lev vertelde" Phys.org . "Een van de resultaten van dit onderzoek was een technologie om deeltjes te coaten met nanometrische metaaloxidestippen. We gingen op zoek naar een aansprekende demonstratietoepassing die de voordelen van onze coatingprocedure aan het licht zou brengen. we hadden een medicijn en waren op zoek naar een geschikte ziekte.

"Vervolgens, mijn laboratorium raakte betrokken bij een samenwerking tussen Israël en Singapore, ondersteund door de Singapore National Research Foundation in het kader van haar CREATE-programma:Nanomaterials for Energy and Water Management, en onze Singaporese partners realiseerden zich al snel dat lithium-ionbatterijanoden enorm kunnen profiteren van de flexibiliteit en eenvoud van onze deeltjescoatingaanpak."

Batterijonderzoekers vinden grafeen-tinoxide aantrekkelijk als anodemateriaal in lithium-ionbatterijen om drie hoofdredenen:het heeft een hoge theoretische oplaadcapaciteit, het grafeen heeft een hoge geleidbaarheid, en de grafeenoxide en tinoxide nanokristallen zijn in nauw contact.

Het probleem is dat het synthetiseren van deze composieten, waarbij een ultradunne laag tinoxide-nanokristallen wordt aangebracht op een vel grafeenoxide, was vroeger een dure, proces op hoge temperatuur. Maar door gebruik te maken van de nieuwe coatingtechnologie, de onderzoekers ontdekten dat ze grafeen-tinoxide-composieten bij kamertemperatuur konden synthetiseren, zonder ingewikkelde infrastructuur, tegen lagere kosten, en op een milieuvriendelijke manier.

Lev, Prichodchenko, en hun co-auteurs, van instellingen in Israël, Rusland, en Singapore, hebben hun studie over de verbeterde synthesemethode gepubliceerd in een recent nummer van: Nanotechnologie .

Zoals de onderzoekers uitleggen, de nieuwe deeltjescoatingtechnologie maakt gebruik van waterstofperoxide om de vorming en afzetting van tinoxide-nanokristallen op grafeenoxide te induceren. In een eerdere studie, de onderzoekers ontdekten dat waterstofperoxide de vorming van een tinoxidecoating bevordert via verschillende chemische mechanismen, zoals het bevorderen van binding en het voorkomen van deeltjesaggregatie.

Met behulp van deze coatingtechniek, hier bereikten de onderzoekers een gemiddelde tinoxide nanokristalgrootte van slechts 2,5 nm, die aanzienlijk kleiner is dan de eerder bereikte grootte van 4 nm. Het kleine formaat vermindert de vervorming veroorzaakt door lithiumlegeringen, wat op zijn beurt de prestaties van de laad-/ontlaadcyclus verbetert.

Om de prestaties van de composieten in batterijen aan te tonen, de onderzoekers gebruikten het grafeen-tinoxide om twee soorten lithium-ionanoden te maken:grafeenoxide met een tinoxidecoating, en grafeenoxide met een coating van tinoxide en tin. Beide anodes vertoonden een hoge capaciteit (vanaf ongeveer 1500 mAhg ^-1 ) die de voorspelde theoretische capaciteit overschrijdt, hoewel het daalde tot ongeveer 700 mAhg ^-1 na 90 cycli. Beide anoden vertoonden ook een stabiele laad-/ontlaadcyclus dankzij het intieme contact tussen het geleidende grafeen en zeer kleine tinoxide-nanokristallen. De composiet zonder tin vertoonde een hogere laadcapaciteit maar iets lagere stabiliteit na langere laad-/ontlaadcycli vergeleken met de composiet gecoat met zowel tinoxide als tin, die de onderzoekers eerder toeschrijven aan een verschil in thermische behandeling dan aan het verschil in samenstelling.

Lev legde uit hoe de grafeen-tinoxide-anoden passen in het grote geheel van het huidige onderzoek naar lithium-ionbatterijen.

"Lithium-ionbatterijen worden in verschillende parallelle richtingen ontwikkeld, gericht op verbeteringen in laadcapaciteit, specifieke energiedichtheid, laad- en ontlaadsnelheden, levensduur van de batterij en vervaging van de lading, batterij veiligheid, en vooral batterijkosten, die vraagt ​​om een ​​goedkoop productieproces van goedkope grondstoffen, " zei hij. "Elke toepassing van oplaadbare batterijen zou een andere optimalisatiedoelfunctie moeten hebben, wat resulteert in een andere celsamenstelling. Bijvoorbeeld, ladingsvervaging wordt anders getolereerd in speelgoed en smartphones, en de twee verschillende consumentenpopulaties zullen bereid zijn verschillend te betalen voor een extra batterijduur.

"Onze nieuwe aanpak richt zich slechts op twee van deze aspecten:superieure laadcapaciteit, dat is meer dan het dubbele van dat van grafietanodes, en lage kosten, wat tot uiting komt in goedkope grondstoffen en natte chemische verwerking."

In de toekomst, de wetenschappers zijn van plan hun onderzoek uit te breiden naar andere elektrodesamenstellingen die baat kunnen hebben bij waterstofperoxide-sol-gelverwerking.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.