Steg för att tillverka defektfri grafen:(a) grafit, (b) kaliumgrafit interkaleringsförening, (c) grafen nanoark, och (d) defektfri grafen. Digitala bilder av (e) kaliumgrafit, (f) ett grafen nanoark, och (g) defektfri grafen. (h) SEM-bilder av (vänster) ett grafen nanoark och (höger) defektfritt grafen. (i) och (j) jämför röntgendiffraktionsmönster och Ramanspektroskopi av materialen i (a-d). Kredit:Park, et al. ©2014 American Chemical Society
(Phys.org) — Grafen har redan visat sig vara användbart i litiumjonbatterier, trots att det grafen som används ofta innehåller defekter. Storskalig tillverkning av grafen som är kemiskt ren, strukturellt enhetlig, och storleksinställbar för batteriapplikationer har hittills förblivit svårfångade. Nu i en ny studie, forskare har utvecklat en metod för att tillverka defektfri grafen (df-G) utan några spår av strukturella skador. Att linda ett stort ark negativt laddad df-G runt en positivt laddad Co 3 O 4 skapar en mycket lovande anod för högpresterande Li-ion-batterier.
Forskargrupperna för professor Junk-Ki Park och professor Hee-Tak Kim från Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) och professor Yong-Min Lees forskargrupp från Hanbat National University, allt i Daejeon, Sydkorea, har publicerat sin artikel om den nya tillverkningsmetoden i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
Som forskarna förklarar, nuvarande metoder för att tillverka grafen av hög kvalitet delas in i två kategorier:mekaniska metoder och kemiska metoder. Medan mekanisk klyvning ger högkvalitativ grafen, dess låga utbyte gör den otillräcklig för storskalig produktion. Kemiska metoder, å andra sidan, kan producera bulkkvantiteter men kan innebära brister.
Den nya metoden skiljer sig från båda dessa typer av metoder och innefattar några viktiga steg. Först fyllde forskarna ett Pyrex-rör med grafitpulver, och placerade sedan det öppna röret inuti ett något större rör. Sedan tillsatte de kalium till bottengapet mellan de två rören, förseglade rören, och värmde dem. Värmen gör att det smälta kaliumet rör sig inuti mikroporerna mellan grafitpulvret, så att kaliummolekylerna interkaleras i grafitmellanskikten. De resulterande kaliumgrafitföreningarna placerades sedan i en pyridinlösning, vilket gör att skikten expanderar bort från varandra för att bilda grafen nanoark som senare skulle kunna kylas och exfolieras ett lager i taget.
Forskarna utförde många uppsättningar experiment där de varierade faktorer som temperaturer och typ av lösning, som är avgörande för att kontrollera kvaliteten och storleken på df-G. De fann att, genom att kontrollera temperaturen i exfolieringssteget, storleken på df-G kan varieras mellan 0,25 och 14,0 µm 2 .
Forskarna visade att lindning av ett stort negativt laddat ark av df-G runt ett positivt laddat stycke Co 3 O 4 skapar en anod med flera imponerande egenskaper. Mest betydelsefullt är dess höga kapacitet efter många cykler (1050 mAh/g vid 500 mA/g och 900 mAh/g vid 1000 mAh/g även efter 200 cykler). Såvitt forskarna vet, denna reversibla kapacitet är den högsta bland alla Co 3 O 4 elektroder som någonsin rapporterats.
Forskarna förklarar att den stora df-G, med sin perfekta kristallinitet, förbättrar anodprestandan eftersom när ett enda grafenark lindas runt en bunt Co 3 O 4 partiklar, kompaniet 3 O 4 partiklar förhindras från att pulveriseras och sedan elektriskt lossna från anoden, som annars skulle inträffa. På grund av denna skyddande effekt, anodens kapacitet bevaras även efter 200 cykler, medan anoder med ett ofullständigt grafenlager snabbt minskar med cykling. Den stora storleken på grafenen spelar en nyckelroll i prestandan eftersom en större storlek ger en högre cykelstabilitet för de nanostora anodmaterialen genom att förbättra deras mekaniska integritet.
Med dessa fördelar, forskarna förväntar sig att df-G kommer att ge betydande framsteg av kompositelektroder för en mängd olika elektrokemiska system, inklusive batterier, bränsleceller, och kondensatorer.
© 2014 Phys.org
