(Phys.org)—När Ovadia Lev, Professor i miljökemi och hälsa vid Hebreiska universitetet i Jerusalem, och hans forskargrupp utvecklade en ny beläggningsteknik för några år sedan, de tyckte att det var ett intressant resultat av deras forskning i väteperoxidlösningar. Dock, de var inte säkra på vad de skulle göra med det förrän de träffade ett team av forskare som letade efter ett enkelt sätt att syntetisera nya litiumjonbatterianodmaterial, såsom grafen-tennoxidkompositer.

"I flera år nu, mitt laboratorium, i samarbete med min tidigare postdoktorand och nuvarande forskningspartner, Dr Petr Prikhodchenko, har forskat på sol-gel-kemi i väteperoxidrika lösningar, "Berättade Lev Phys.org . "Ett av resultaten av den här forskningen var en teknik för att belägga partiklar med nanometriska metalloxidprickar. Vi började leta efter en tilltalande demonstrationsapplikation som skulle lyfta fram fördelarna med vårt beläggningsförfarande. På ett sätt, vi hade en medicin och letade efter en lämplig sjukdom.

"Sedan, mitt laboratorium blev involverat i ett samarbete mellan Israel och Singapore som stöds av Singapore National Research Foundation under sitt CREATE -program:Nanomaterials for Energy and Water Management, och våra singaporeanska partners insåg snart att litiumjonbatterianoder kan dra stor nytta av flexibiliteten och enkelheten i vår partikelbeläggningsmetod."

Batteriforskare finner grafen-tennoxid attraktivt som anodmaterial i litiumjonbatterier av tre huvudsakliga skäl:den har en hög teoretisk laddningskapacitet, grafen har hög konduktivitet, och nanokristallerna av grafenoxid och tennoxid är i nära kontakt.

Problemet är att syntetisering av dessa kompositer, vilket innebär att ett ultratunt lager av tennoxid-nanokristaller beläggs på ett ark grafenoxid, har tidigare varit en dyr, högtemperaturprocess. Men genom att använda den nya beläggningstekniken, forskarna fann att de kunde syntetisera grafen-tennoxidkompositer vid rumstemperatur, utan komplicerad infrastruktur, till en reducerad kostnad, och på ett miljövänligt sätt.

Lev, Prikhodchenko, och deras medförfattare, från institutioner i Israel, Ryssland, och Singapore, har publicerat sin studie om den förbättrade syntesmetoden i ett färskt nummer av Nanoteknik .

Som forskarna förklarar, den nya partikelformiga beläggningstekniken använder väteperoxid för att inducera bildning och avsättning av tennoxid -nanokristaller på grafenoxid. I en tidigare studie, forskarna fann att väteperoxid främjar bildandet av en tennoxidbeläggning genom flera kemiska mekanismer, såsom att främja bindning och förhindra partikelaggregation.

Genom att använda denna beläggningsteknik, här uppnådde forskarna en genomsnittlig tennoxidnanokristallstorlek på bara 2,5 nm, vilket är betydligt mindre än 4 nm storleken som tidigare uppnåtts. Den lilla storleken minskar deformationen som orsakas av litiumlegering, vilket i sin tur förbättrar laddnings-/urladdningscykelprestanda.

För att demonstrera kompositernas prestanda i batterier, forskarna använde grafen-tennoxiden för att framställa två typer av litiumjonanoder:grafenoxid med en tennoxidbeläggning, och grafenoxid med en beläggning av tennoxid och tenn. Båda anoderna uppvisade en hög kapacitet (från cirka 1500 mAhg ^-1 ) som överstiger den förväntade teoretiska kapaciteten, även om den sjönk till cirka 700 mAhg ^-1 efter 90 cykler. Båda anoderna uppvisade också en stabil laddnings-/urladdningscyklerbarhet på grund av den intima kontakten mellan den ledande grafenen och mycket små nanokristaller av tennoxid. Kompositen utan tenn uppvisade en högre laddningskapacitet men något lägre stabilitet efter förlängd laddning/urladdningscykel jämfört med kompositen belagd med både tennoxiden och tenn, som forskarna tillskriver en skillnad i termisk behandling snarare än skillnaden i sammansättning.

Lev förklarade hur grafen-tennoxidanoderna passar in i den stora bilden av nuvarande litiumjonbatteriforskning.

"Litiumjonbatterier utvecklas i flera parallella riktningar, inriktning på förbättringar i laddningskapacitet, specifik energitäthet, laddnings- och urladdningshastigheter, batterilivslängd och blekning av laddning, batterisäkerhet, och framför allt batterikostnad, som kräver en billig tillverkningsprocess från billiga råvaror, ", sade han. "Varje applikation av laddningsbara batterier bör ha en annan optimeringsmålfunktion vilket resulterar i en annan cellsammansättning. Till exempel, laddningsblekning tolereras olika i leksaker och smarta telefoner, och de två olika konsumentpopulationerna kommer att vara villiga att betala annorlunda för ytterligare batteritid.

"Vårt nya tillvägagångssätt inriktar sig bara på två av dessa aspekter:Överlägsen laddningskapacitet, vilket är mer än dubbelt så mycket som grafitanoder, och låg kostnad, som manifesteras i billiga råvaror och våtkemisk bearbetning."

I framtiden, forskarna planerar att utöka sin forskning till andra elektrodkompositioner som kan dra nytta av väteperoxid sol-gel-bearbetning.

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.