(Phys.org) —En forskare från Kansas State University utvecklar effektivare sätt att spara kostnader, tid och energi när du skapar nanomaterial och litiumjonbatterier.

Gurpreet Singh, biträdande professor i maskin- och kärnteknik, och hans forskargrupp har publicerat två senaste artiklar om nyare, billigare och snabbare metoder för att skapa nanomaterial som kan användas för litiumjonbatterier. I det senaste året, Singh har publicerat åtta artiklar-varav fem handlar om litiumjonbatteriforskning.

"Vi utforskar nya metoder för snabb och kostnadseffektiv syntes av tvådimensionella material för laddningsbara batteriapplikationer, ", sa Singh. "Vi är intresserade av denna forskning eftersom vi förstår litiuminteraktion med singel-, dubbel- och flerskiktstjocka material kommer så småningom att tillåta oss att designa batterielektroder för praktiska tillämpningar. Detta inkluderar batterier som visar förbättrad kapacitet, effektivitet och längre livslängd. "

För den senaste forskningen, Singhs team skapade grafenfilmer som är mellan två och 10 lager tjocka. Grafen är ett atomtjockt ark av kol. Forskarna odlade grafenfilmerna på koppar- och nickelfolier genom att snabbt värma dem i en ugn i närvaro av kontrollerade mängder argon, väte och metangaser. Teamet har kunnat skapa dessa filmer på mindre än 30 minuter. Deras arbete visas i januari-numret av ACS-Applied Materials and Interfaces i en artikel med titeln "Syntes av grafenfilmer genom snabb uppvärmning och släckning vid omgivande tryck och deras elektrokemiska karakterisering."

Forskningen är betydelsefull eftersom forskarna skapade dessa grafenark genom att snabbt värma och kyla koppar- och nickelsubstraten vid atmosfärstryck, vilket betyder att forskare inte längre behöver ett vakuum för att skapa några lager tjocka grafenfilmer och kan spara energi, tid och kostnad, sa Singh.

Forskarna använde dessa grafenfilmer för att skapa den negativa elektroden i en litiumjoncell och studerade sedan laddnings- och urladdningsegenskaperna hos detta uppladdningsbara batteri. De fann att grafenfilmerna som odlades på koppar inte cyklade litiumjonerna och batterikapaciteten var försumbar. Men grafen som odlats på nickel visade förbättrad prestanda eftersom det kunde lagra och frigöra litiumjoner mer effektivt.

"Vi tror att detta beteende uppstår eftersom ark av grafen på nickel är relativt tjocka nära korngränserna och staplade på ett väldefinierat sätt - kallat Bernal Stacking - vilket ger flera platser för lätt upptag och frigöring av litiumjoner när batteriet laddas ur och laddade, " sa Singh.

I ett andra forskningsprojekt, forskarna skapade volframdisulfid nanosheets som var cirka 10 lager tjocka. Börjar med volframdisulfidpulver i bulk – som är en typ av torrsmörjmedel som används inom bilindustrin – teamet kunde separera tjocka ark av volframdisulfid i atomskiktet i en stark syralösning. Denna enkla metod gjorde det möjligt att producera ark i stora mängder. Ungefär som grafen, volframdisulfid har också en skiktad atomstruktur, men de enskilda skikten är tre atomer tjocka.

Forskarna fann att dessa syrabehandlade volframdisulfidark också kunde lagra och släppa ut litiumjoner men på ett annat sätt. Litiumet lagras genom en omvandlingsreaktion där volframdisulfid dissocieras för att bilda volfram och litiumsulfid när cellen urladdas. Till skillnad från grafen, denna reaktion involverar överföring av minst två elektroner per volframatom. Detta är viktigt eftersom forskare länge har ignorerat sådana föreningar som batterianoder på grund av svårigheten att tillsätta litium till dessa material, sa Singh. Det är först nyligen som konverteringsreaktionsbaserade batterianoder har vunnit popularitet.

"Vi inser också att volframdisulfid är en tung förening jämfört med toppmodern grafit som används i nuvarande litiumjonbatterier, "Singh sa. "Därför kanske volframdisulfid inte är ett idealiskt elektrodmaterial för bärbara batterier."

Forskningen dök upp i ett färskt nummer av Journal of Physical Chemistry Letters i en artikel med titeln "Syntes av ytfunktionaliserade WS2 nanosheets och prestanda som Li-ion batterianoder."

Båda projekten är viktiga eftersom de kan hjälpa forskare att skapa nanomaterial på ett kostnadseffektivt sätt. Medan många studier har fokuserat på att göra grafen med kemiska processer under lågt tryck, lite forskning har prövats med snabb uppvärmning och kylning vid atmosfärstryck, sa Singh. Liknande, stora mängder en- och flerskikts tjocka ark av volframdisulfid behövs för andra applikationer.

"Intressant, för de flesta applikationer som involverar denna typ av batteriforskning och korrosionsskydd, filmer som är några atomer tjocka är vanligtvis tillräckliga, "Singh sa." Enkelatomtjocka filmer av mycket hög kvalitet är inte en nödvändighet. "

Singh planerar framtida forskning för att studera hur dessa skiktade nanomaterial kan skapa bättre elektroder i form av heterostrukturer, vilka i huvudsak är tredimensionella staplade strukturer som innefattar alternerande lager av grafen och volfram eller molybdendisulfid.