(Phys.org) —En ingenjör från Kansas State University har gjort ett genombrott i laddningsbara batteriapplikationer.

Gurpreet Singh, biträdande professor i maskin- och kärnteknik, och hans studentforskare är de första som visar att ett sammansatt papper - tillverkat av interfolierat molybdendisulfid och grafenanosark - kan vara både ett aktivt material för att effektivt lagra natriumatomer och en flexibel strömuppsamlare. Det nyutvecklade kompositpappret kan användas som en negativ elektrod i natriumjonbatterier.

"De flesta negativa elektroder för natriumjonbatterier använder material som genomgår en" legering "-reaktion med natrium, "Singh sa." Dessa material kan svälla så mycket som 400 till 500 procent när batteriet laddas och laddas ur, vilket kan leda till mekanisk skada och förlust av elektrisk kontakt med strömkollektorn. "

"Molybden -disulfid, huvudbeståndsdelen i papperselektroden, erbjuder en ny typ av kemi med natriumjoner, som är en kombination av interkalering och en reaktion av omvandlingstyp, "Singh sa." Papperselektroden erbjuder en stabil laddningskapacitet på 230 mAh.g-1, med avseende på total elektrodvikt. Ytterligare, papperselektrodens interfolierade och porösa struktur erbjuder släta kanaler för natrium att diffundera in och ut när cellen laddas och urladdas snabbt. Denna design eliminerar också de polymera bindemedlen och kopparströmkollektorfolien som används i en traditionell batterielektrod. "

Forskningen visas i det senaste numret av tidskriften ACS Nano i artikeln "MoS2/grafen-kompositpapper för natriumjonbatterielektroder."

Under de senaste två åren har forskarna utvecklat nya metoder för snabb och kostnadseffektiv syntes av atomtunna tvådimensionella material-grafen, molybden och volframdisulfid - i grammängder, särskilt för laddningsbara batteritillämpningar.

För den senaste forskningen, ingenjörerna skapade ett kompositpapper med stor yta som bestod av syrabehandlat skiktat molybdendisulfid och kemiskt modifierad grafen i en interfolierad struktur. Forskningen markerar första gången som en sådan flexibel papperselektrod användes i ett natriumjonbatteri som en anod som fungerar vid rumstemperatur. De flesta kommersiella natrium-svavelbatterier fungerar nära 300 grader Celsius, Sa Singh.

Singh sa att forskningen är viktig av två skäl:

1. Syntes av stora mängder enkla eller få skikttjocka 2-D-material är avgörande för att förstå den verkliga kommersiella potentialen hos material som övergångsmetalldikalkogenider, eller TMD, och grafen.

2. Grundläggande förståelse för hur natrium lagras i ett skiktat material genom andra mekanismer än den konventionella interkalerings- och legeringsreaktionen. Dessutom, Att använda grafen som flexibelt stöd och strömkollektor är avgörande för att eliminera kopparfolien och göra lättare och böjbara laddningsbara batterier. I motsats till litium, natriumtillförsel är i princip obegränsad och batterierna förväntas bli mycket billigare.

"Ur syntes synvinkel, vi har visat att vissa övergångsmetalldykalkogenider kan exfolieras i starka syror, "Singh sa." Denna metod bör möjliggöra syntes av grammängder av få lager tjocka molybdendisulfidark, vilket är mycket viktigt för applikationer som flexibla batterier, superkondensatorer, och polymerkompositer. För sådana applikationer, TMD -flingor som är några atomer tjocka är tillräckliga. Mycket högkvalitativa enkelsidiga flingor är inte en nödvändighet. "

Forskarna arbetar med att kommersialisera tekniken, med bistånd från universitetets institut för kommersialisering. De utforskar också litium- och natriumlagring i andra nanomaterial.