(Phys.org) — Een onderzoeker van de Kansas State University ontwikkelt efficiëntere manieren om kosten te besparen, tijd en energie bij het maken van nanomaterialen en lithium-ionbatterijen.

Gurpreet Singh, assistent-professor mechanische en nucleaire techniek, en zijn onderzoeksteam hebben twee recente artikelen gepubliceerd over nieuwere, goedkopere en snellere methoden om nanomaterialen te maken die kunnen worden gebruikt voor lithium-ionbatterijen. In het afgelopen jaar, Singh heeft acht artikelen gepubliceerd, waarvan er vijf betrekking hebben op onderzoek naar lithium-ionbatterijen.

"We onderzoeken nieuwe methoden voor snelle en kosteneffectieve synthese van tweedimensionale materialen voor toepassingen met oplaadbare batterijen, Singh zei. "We zijn geïnteresseerd in dit onderzoek omdat we de lithiuminteractie met single-, Dubbel- en meerlaags dikke materialen zullen ons uiteindelijk in staat stellen batterij-elektroden te ontwerpen voor praktische toepassingen. Dit omvat batterijen met een verbeterde capaciteit, efficiëntie en een langere levensduur."

Voor het laatste onderzoek, Het team van Singh heeft grafeenfilms gemaakt die tussen de twee en tien lagen dik zijn. Grafeen is een atoomdikke laag koolstof. De onderzoekers groeiden de grafeenfilms op koper- en nikkelfolies door ze snel te verhitten in een oven in de aanwezigheid van gecontroleerde hoeveelheden argon, waterstof en methaangas. Het team heeft deze films in minder dan 30 minuten kunnen maken. Hun werk verschijnt in het januarinummer van ACS-Applied Materials and Interfaces in een artikel met de titel "Synthesis of grafeen films door snelle verwarming en quenching bij omgevingsdruk en hun elektrochemische karakterisering."

Het onderzoek is belangrijk omdat de onderzoekers deze grafeenplaten hebben gemaakt door de koper- en nikkelsubstraten snel te verwarmen en af ​​te koelen bij atmosferische druk, wat betekent dat wetenschappers geen vacuüm meer nodig hebben om grafeenfilms van een paar lagen te maken en energie kunnen besparen, tijd en kosten, zei Singh.

De onderzoekers gebruikten deze grafeenfilms om de negatieve elektrode van een lithium-ioncel te maken en bestudeerden vervolgens de laad- en ontlaadkarakteristieken van deze oplaadbare batterij. Ze ontdekten dat de grafeenfilms die op koper werden gekweekt de lithiumionen niet circuleerden en dat de batterijcapaciteit te verwaarlozen was. Maar grafeen dat op nikkel werd gekweekt, vertoonde betere prestaties omdat het lithiumionen efficiënter kon opslaan en afgeven.

"We zijn van mening dat dit gedrag optreedt omdat vellen grafeen op nikkel relatief dik zijn nabij de korrelgrenzen en op een goed gedefinieerde manier worden gestapeld - Bernal Stacking genaamd - die meerdere locaties biedt voor gemakkelijke opname en afgifte van lithiumionen als de batterij wordt ontladen en opgeladen, ' zei Singh.

In een tweede onderzoeksproject de onderzoekers creëerden wolfraamdisulfide nanosheets die ongeveer 10 lagen dik waren. Beginnend met bulk wolfraamdisulfidepoeder - een soort droog smeermiddel dat wordt gebruikt in de auto-industrie - was het team in staat om atomaire laag dikke vellen wolfraamdisulfide te scheiden in een sterk zure oplossing. Deze eenvoudige methode maakte het mogelijk om platen in grote hoeveelheden te produceren. Net als grafeen, wolfraamdisulfide heeft ook een gelaagde atomaire structuur, maar de afzonderlijke lagen zijn drie atomen dik.

De onderzoekers ontdekten dat deze met zuur behandelde wolfraamdisulfideplaten ook lithiumionen konden opslaan en afgeven, maar op een andere manier. Het lithium wordt opgeslagen door een omzettingsreactie waarbij wolfraamdisulfide dissocieert om wolfraam en lithiumsulfide te vormen wanneer de cel wordt ontladen. In tegenstelling tot grafeen, deze reactie omvat de overdracht van ten minste twee elektronen per wolfraamatoom. Dit is belangrijk omdat onderzoekers dergelijke verbindingen als batterijanoden lang hebben genegeerd vanwege de moeilijkheid die gepaard gaat met het toevoegen van lithium aan deze materialen, zei Singh. Het is pas recent dat de op conversiereactie gebaseerde batterijanoden aan populariteit hebben gewonnen.

"We realiseren ons ook dat wolfraamdisulfide een zware verbinding is in vergelijking met ultramodern grafiet dat wordt gebruikt in de huidige lithium-ionbatterijen, "Zei Singh. "Daarom is wolfraamdisulfide misschien geen ideaal elektrodemateriaal voor draagbare batterijen."

Het onderzoek verscheen in een recent nummer van de Journal of Physical Chemistry Letters in een artikel met de titel "Synthese van oppervlakte-gefunctionaliseerde WS2 nanosheets en prestaties als Li-ion batterijanoden."

Beide projecten zijn belangrijk omdat ze wetenschappers kunnen helpen om op een kosteneffectieve manier nanomaterialen te maken. Hoewel veel studies zich hebben gericht op het maken van grafeen met behulp van chemische processen onder lage druk, er is weinig onderzoek gedaan naar snelle verwarming en koeling bij atmosferische druk, zei Singh. evenzo, voor andere toepassingen zijn grote hoeveelheden enkellaags en meerlaags dikke platen wolfraamdisulfide nodig.

"Interessant, voor de meeste toepassingen die betrekking hebben op dit soort batterijonderzoek en corrosiepreventie, films van enkele atomen dik zijn meestal voldoende, Singh zei. "Singel-atom-dikke films van zeer hoge kwaliteit met een groot oppervlak zijn niet nodig."

Singh plant toekomstig onderzoek om te bestuderen hoe deze gelaagde nanomaterialen betere elektroden kunnen creëren in de vorm van heterostructuren, die in wezen driedimensionale gestapelde structuren zijn met afwisselende lagen grafeen en wolfraam of molybdeendisulfide.