Батареи на основе оксида графена будут долговечными

Ученые из университета штата Канзас открыли одни из важнейших свойств оксида графена, которые помогут усовершенствовать натрий-ионные и литий-ионные гибкие батареи.

Доцент Гурприт Сингх и докторант Лэмюэл Дэвид опубликовали результаты исследования в издании Journal of Physical Chemistry.

Оксид графена — изолирующая и дефектная версия графена, которая преобразуется в проводник или полупроводник под нагревом. Сингх с коллегами исследовали листы оксида графена в качестве гибких бумажных электродов для натрий-ионных и литий-ионных батарей.

Исследователи выяснили, что натриевая емкость бумажных электродов зависит от расстояния между отдельными слоями, что можно настроить в процессе нагрева этих слоев в газообразном аммиаке или аргоне. Например, преобразованные листы оксида графена, произведенные при высокой температуре, обладают околонулевой натриевой емкостью, в то время как те же листы, произведенные при температуре 500 градусов Цельсия, обладают максимальной емкостью.

«Наблюдение имеет большое значение, поскольку графит, предшественник производства оксида графена, обладает незначительной натриевой емкостью и долгое время исключался из числа жизнеспособных электродов для натриевых батарей», отметил Сингх. „Графит — предпочтительный материал в современных литий-ионных батареях, поскольку межслойный интервал верен лишь для наименьших ионов лития“.

Исследователи впервые показали, что гибкая бумага, целиком состоящая из листов оксида графена, способна заряжаться и разряжаться ионами натрия более 1000 циклов. Соль натрия перхлората, растворенная в карбонате этилена, служит электролитом в таких батареях.

«Большинство материалов литиевых электродов для натриевых батарей способно лишь на несколько десятков циклов зарядки и разрядки, поскольку натрий намного больше лития и вызывает значительные изменения объема и повреждение основного материала», сказал Сингх. „Проект уникален, поскольку расстояние между отдельными слоями графена является достаточно большим, чтобы позволять быстрое внедрение и извлечение ионов натрия, благодаря атомам кислорода и водорода, которые не дают листам сложиться“.

Сингх с коллегами также исследовали механическое поведение электродов, сделанных из преобразованных листов оксида графена. Ученые измерили усилие, требуемое для разлучения электродов. С помощью видеографии они показали способность мятых бумаг из оксида графена выдерживать большие усилия.

«Такие измерения и исследования механизмов отказа важны для проектирования долговечных батарей, поскольку желательно, чтобы электрод мог расширяться и сокращаться без изломов и разрывов в течение тысяч циклов, специально для больших нелитиевых металл-ионных батарей», сказал Сингх. „Сегодня почти все используют мятый графен или в качестве проводящего агента, или в качестве эластичной поддержки, или в обоих качествах сразу“.

Ранее в этом году Сингх с коллегами продемонстрировали масштабный синтез немногослойных листов дисульфида молибдена. Также они показали, что композитная бумага дисульфида молибдена/графена имеет потенциал высокопроизводительного электрода для натрий-ионных батарей. В том исследовании ученые использовали графен в качестве проводника для листов дисульфида молибдена и наблюдали относительную неактивность графена по сравнению с натрием.

Последние исследования показали, что в отличие от натрия, литиевая емкость преобразованных листов оксида графена увеличивается с ростом температуры синтеза этих листов, вплоть до максимальной отметки 900 градусов Цельсия.

Сингх сказал, что исследование натриевых и литиевых батарей важно по нескольким причинам. Поскольку фокус смещается от транспортных средств со стационарными системами хранения энергии и массивными транспортными средствами, стационарные батареи должны стать дешевле, безопасней и экологически мягче. Вследствие изобилия натрий является потенциальным кандидатом на замещение литий-ионных батарей.

С помощью нанотехнологии Сингх с коллегами сумели исследовать и спроектировать материалы, которые могут хранить ионы натрия обратимо и без повреждения. Так был привлечен оксид графена, который допускает более 1000 циклов.

Сингх с коллегами намерены продолжить исследование новых наноматериалов, и сосредоточатся они на тех из них, что могут выпускать серийно и рентабельно.