(Phys.org) — Van grafeen is al aangetoond dat het nuttig is in Li-ionbatterijen, ondanks het feit dat het gebruikte grafeen vaak defecten bevat. Grootschalige fabricage van grafeen dat chemisch zuiver is, structureel uniform, en grootte-afstembaar voor batterijtoepassingen is tot nu toe ongrijpbaar gebleven. Nu in een nieuwe studie, wetenschappers hebben een methode ontwikkeld om defectvrij grafeen (df-G) te fabriceren zonder enig spoor van structurele schade. Een groot vel negatief geladen df-G om een ​​positief geladen Co . wikkelen ₃ O ₄ creëert een veelbelovende anode voor krachtige Li-ion-batterijen.

De onderzoeksgroepen van professor Junk-Ki Park en professor Hee-Tak Kim van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) en de onderzoeksgroep van professor Yong-Min Lee van de Hanbat National University, allemaal in Daejeon, Zuid-Korea, hebben hun paper over de nieuwe fabricagemethode gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

Zoals de onderzoekers uitleggen, huidige methoden om grafeen van hoge kwaliteit te fabriceren vallen in twee categorieën:mechanische benaderingen en chemische benaderingen. Terwijl mechanische splitsing grafeen van hoge kwaliteit oplevert, zijn lage opbrengst maakt het onvoldoende voor grootschalige productie. Chemische benaderingen, anderzijds, kan bulkhoeveelheden produceren, maar kan onvolkomenheden bevatten.

De nieuwe methode verschilt van beide typen methoden en omvat een aantal belangrijke stappen. Eerst vulden de onderzoekers een Pyrex-buis met grafietpoeder, en plaatste vervolgens de buis met open uiteinde in een iets grotere buis. Daarna voegden ze kalium toe aan de onderste opening tussen de twee buizen, verzegelde de buizen, en verwarmde ze. Door de hitte beweegt het gesmolten kalium in de microporiën tussen de grafietpoeders, zodat de kaliummoleculen worden geïntercaleerd in de tussenlagen van grafiet. De resulterende kaliumgrafietverbindingen werden vervolgens in een pyridine-oplossing geplaatst, waardoor de lagen van elkaar uitzetten om grafeen nanosheets te vormen die later laag voor laag kunnen worden afgekoeld en geëxfolieerd.

De onderzoekers voerden veel reeksen experimenten uit waarin ze verschillende factoren varieerden, zoals de temperaturen en het type oplossing, die cruciaal zijn om de kwaliteit en grootte van de df-G te controleren. Ze vonden dat, door de temperatuur van de exfoliatiestap te regelen, de grootte van de df-G kan worden gevarieerd tussen 0,25 en 14,0 µm ² .

De onderzoekers toonden aan dat het wikkelen van een groot negatief geladen vel df-G rond een positief geladen stuk Co ₃ O ₄ creëert een anode met een aantal indrukwekkende kenmerken. Het meest significant is de hoge capaciteit na vele cycli (1050 mAh/g bij 500 mA/g en 900 mAh/g bij 1000 mAh/g zelfs na 200 cycli). Voor zover de onderzoekers weten, deze omkeerbare capaciteit is de hoogste van alle Co ₃ O ₄ elektroden ooit gemeld.

De onderzoekers leggen uit dat de grote df-G, met zijn perfecte kristalliniteit, verbetert de anodeprestaties omdat wanneer een enkel grafeenvel om een ​​bundel Co . wordt gewikkeld ₃ O ₄ deeltjes, de Co ₃ O ₄ wordt voorkomen dat deeltjes worden verpulverd en vervolgens elektrisch loskomen van de anode, wat anders zou gebeuren. Door dit beschermende effect de capaciteit van de anode blijft behouden, zelfs na 200 cycli, terwijl anoden met een onvolmaakte grafeenlaag snel afnemen met fietsen. De grote afmeting van het grafeen speelt een sleutelrol in de prestaties omdat een grotere afmeting zorgt voor een hogere cyclusstabiliteit van de anodematerialen met nanogrootte door hun mechanische integriteit te verbeteren.

Met deze voordelen, de onderzoekers verwachten dat de df-G aanzienlijke vooruitgang zal brengen op het gebied van composietelektroden voor een verscheidenheid aan elektrochemische systemen, inclusief batterijen, brandstofcellen, en condensatoren.

© 2014 Fys.org