Een technisch team van de Kansas State University heeft enkele belangrijke eigenschappen van grafeenoxide ontdekt die de flexibele natrium- en lithium-ionbatterijen kunnen verbeteren.

Gurpreet Singh, assistent-professor mechanische en nucleaire techniek, en Lamuel David, doctoraalstudent werktuigbouwkunde, Indië, publiceerden hun bevindingen in de Journal of Physical Chemistry in het artikel "Gereduceerde grafeenoxidepapierelektrode:tegengesteld effect van thermisch uitgloeien op Li- en Na-cyclabiliteit."

Grafeenoxide is een isolerende en defecte versie van grafeen die bij verhitting kan worden omgezet in een geleider of een halfgeleider. Singh en zijn team bestudeerden grafeenoxidevellen als flexibele papierelektroden voor natrium- en lithium-ionbatterijen.

De onderzoekers ontdekten dat de natriumopslagcapaciteit van papierelektroden afhangt van de afstand tussen de afzonderlijke lagen die kan worden afgestemd door ze te verwarmen in argon- of ammoniakgas. Bijvoorbeeld, gereduceerde grafeenoxidevellen, of rGO, geproduceerd bij hoge temperatuur hebben bijna nul natriumcapaciteit, terwijl gereduceerde grafeenoxidevellen geproduceerd bij 500 graden C de maximale capaciteit hebben.

"De waarneming is belangrijk omdat grafiet, dat een voorloper is voor het maken van grafeenoxide, heeft een verwaarloosbare capaciteit voor natrium en is al lang uitgesloten als levensvatbare elektrode voor natriumbatterijen, Singh zei. "Grafiet is het materiaal bij uitstek in de huidige lithium-ionbatterijen omdat de tussenlaag precies goed is voor de kleinere lithiumionen om in en uit te diffunderen."

De onderzoekers zijn de eersten die aantonen dat een flexibel papier dat volledig uit grafeenoxidevellen bestaat, meer dan 1 uur kan laden en ontladen met natriumionen. 000 cycli. Natriumperchloraatzout opgelost in ethyleencarbonaat diende als elektrolyt in hun cellen.

"De meeste lithiumelektrodematerialen voor natriumbatterijen kunnen niet eens meer dan enkele tientallen laad- en ontlaadcycli meegaan, omdat natrium veel groter is dan lithium en enorme volumeveranderingen en schade aan het gastheermateriaal veroorzaakt, Singh zei. "Dit ontwerp is uniek omdat de afstand tussen de afzonderlijke grafeenlagen groot genoeg is om een ​​snelle invoeging en extractie van de natriumionen mogelijk te maken. dankzij de zuurstof- en waterstofatomen die ervoor zorgen dat platen niet opnieuw worden gestapeld."

Singh en zijn team bestudeerden ook het mechanische gedrag van de elektroden gemaakt van gereduceerde grafeenoxidevellen. De onderzoekers maten de spanning die nodig was om de elektroden uit elkaar te halen. Door middel van videografie, ze toonden het vermogen van de verfrommelde grafeenoxidepapieren om grote spanningen te weerstaan ​​​​voordat ze faalden.

"Dergelijke metingen en studie van faalmechanismen zijn belangrijk voor het ontwerpen van batterijen met een lange levensduur, omdat je wilt dat de elektrode duizenden cycli herhaaldelijk kan uitzetten en samentrekken zonder te breken, vooral voor grotere niet-lithium-metaal-ionbatterijen, "zei Singh. "Tegenwoordig, bijna iedereen gebruikt verfrommeld grafeen als geleidend middel of elastische ondersteuning of beide."

Eerder dit jaar, Singh en zijn team demonstreerden grootschalige synthese van enkele laag dikke vellen molybdeendisulfide. Ze toonden ook aan dat het molybdeendisulfide / grafeen-composietpapier potentieel heeft als een elektrode met hoge capaciteit voor een natriumionbatterij. Bij dat onderzoek is de wetenschappers gebruikten grafeen als elektronengeleider voor de molybdeendisulfideplaten en zagen dat grafeen grotendeels inactief was ten opzichte van natrium.

Hun laatste onderzoek heeft aangetoond dat, in tegenstelling tot natrium, de lithiumcapaciteit van rGO neemt toe met toenemende rGO-synthesetemperatuur die de maximale waarde bereikt voor monster geproduceerd bij 900 graden C.

"Pas nu realiseren we ons dat de natriumcapaciteit van grafeen, of rGO, is afhankelijk van de verwerkingstemperatuur, " zei Singh. "De rGO-monsters in onze vorige studie werden bereid bij 900 graden C."

Singh zei dat onderzoek naar natrium- en niet-lithiumbatterijen om verschillende redenen belangrijk is. Naarmate de focus verschuift van voertuigen naar stationaire energieopslagsystemen en grote voertuigen, stationaire batterijen moeten goedkoper zijn, veilig en milieuvriendelijk. Door de grote overvloed, natrium is een potentiële kandidaat voor het vervangen van lithium-ionbatterijen.

Door te focussen op nanotechnologie, Singh en zijn team waren in staat materialen te onderzoeken en te ontwerpen die natriumionen omkeerbaar en zonder schade kunnen opslaan. Ze vonden hun antwoord in grafeenoxide, die meer dan 1 natriumionen kan circuleren 000 cycli.

Singh en zijn team zullen doorgaan met het verkennen van nieuwe nanomaterialen en zich concentreren op materialen die op een kosteneffectieve manier in massa kunnen worden geproduceerd.

"We willen fundamentele studies uitvoeren om de oorsprong van verlies van de eerste cyclus te begrijpen, spanningshysterese, en capaciteitsdegradatie die gebruikelijk zijn bij metaal-ionbatterijanoden die zijn vervaardigd uit 2-D gelaagde kristallen zoals overgangsmetaalchalcogeniden, grafeen, enzovoort., ' zei Singh.

De onderzoekers kijken ook naar andere nanomaterialen die zijn uitgesloten als batterij-elektroden, zoals boornitrideplaten en keramiek op basis van siliciumstikstof.