(Phys.org) — Een ingenieur van de Kansas State University heeft een doorbraak bereikt in toepassingen voor oplaadbare batterijen.

Gurpreet Singh, assistent-professor mechanische en nucleaire techniek, en zijn student-onderzoekers zijn de eersten die aantonen dat een samengesteld papier - gemaakt van verweven molybdeendisulfide en grafeen nanosheets - zowel een actief materiaal kan zijn om natriumatomen efficiënt op te slaan als een flexibele stroomcollector. Het nieuw ontwikkelde composietpapier kan worden gebruikt als negatieve elektrode in natriumionbatterijen.

"De meeste negatieve elektroden voor natrium-ionbatterijen gebruiken materialen die een 'legeringsreactie' ondergaan met natrium, Singh zei. "Deze materialen kunnen wel 400 tot 500 procent opzwellen als de batterij wordt opgeladen en ontladen, wat kan leiden tot mechanische schade en verlies van elektrisch contact met de stroomafnemer."

"Molybdeendisulfide, het hoofdbestanddeel van de papierelektrode, biedt een nieuw soort chemie met natriumionen, wat een combinatie is van intercalatie en een reactie van het conversietype, Singh zei. "De papieren elektrode biedt een stabiele laadcapaciteit van 230 mAh.g-1, met betrekking tot het totale elektrodegewicht. Verder, de verweven en poreuze structuur van de papierelektrode biedt gladde kanalen voor natrium om in en uit te diffunderen terwijl de cel snel wordt geladen en ontladen. Dit ontwerp elimineert ook de polymere bindmiddelen en koperen stroomcollectorfolie die worden gebruikt in een traditionele batterij-elektrode."

Het onderzoek verschijnt in het laatste nummer van het tijdschrift ACS Nano in het artikel "MoS2 / grafeencomposietpapier voor natriumionbatterij-elektroden."

De afgelopen twee jaar hebben de onderzoekers nieuwe methoden ontwikkeld voor een snelle en kosteneffectieve synthese van atomair dunne tweedimensionale materialen - grafeen, molybdeen en wolfraamdisulfide - in gramhoeveelheden, vooral voor toepassingen met oplaadbare batterijen.

Voor het laatste onderzoek, de ingenieurs creëerden een composietpapier met een groot oppervlak dat bestond uit met zuur behandeld gelaagd molybdeendisulfide en chemisch gemodificeerd grafeen in een doorschotstructuur. Het onderzoek is de eerste keer dat zo'n flexibele papierelektrode in een natrium-ionbatterij wordt gebruikt als anode die werkt bij kamertemperatuur. De meeste commerciële natriumzwavelbatterijen werken in de buurt van 300 graden Celsius, zei Singh.

Singh zei dat het onderzoek om twee redenen belangrijk is:

1. Synthese van grote hoeveelheden enkelvoudige of enkele laag-dikke 2-D materialen is cruciaal voor het begrijpen van het echte commerciële potentieel van materialen zoals overgangsmetaal dichalcogeniden, of TMD, en grafeen.

2. Fundamenteel begrip van hoe natrium wordt opgeslagen in een gelaagd materiaal via andere mechanismen dan de conventionele intercalatie- en legeringsreactie. In aanvulling, het gebruik van grafeen als flexibele ondersteuning en stroomafnemer is cruciaal voor het elimineren van de koperfolie en het maken van lichtere en buigzame oplaadbare batterijen. In tegenstelling tot lithium, natriumvoorraden zijn in wezen onbeperkt en de batterijen zullen naar verwachting een stuk goedkoper zijn.

"Vanuit het oogpunt van synthese, we hebben aangetoond dat bepaalde overgangsmetaaldichalcogeniden kunnen worden geëxfolieerd in sterke zuren, Singh zei. "Deze methode moet de synthese mogelijk maken van gramhoeveelheden van molybdeendisulfidevellen met weinig lagen, wat zeer cruciaal is voor toepassingen zoals flexibele batterijen, supercondensatoren, en polymeercomposieten. Voor dergelijke toepassingen is TMD-vlokken van enkele atomen dik zijn voldoende. Zeer hoogwaardige enkellaagse vlokken zijn geen noodzaak."

De onderzoekers werken aan het commercialiseren van de technologie, met hulp van het Institute of Commercialization van de universiteit. Ze onderzoeken ook de opslag van lithium en natrium in andere nanomaterialen.