Ett ingenjörsteam från Kansas State University har upptäckt några av grafenoxidens viktiga egenskaper som kan förbättra flexibla natrium- och litiumjonbatterier.

Gurpreet Singh, biträdande professor i maskin- och kärnteknik, och Lamuel David, doktorand i maskinteknik, Indien, publicerade sina resultat i Journal of Physical Chemistry i artikeln "Reduced graphene oxide paper electrode:Opposing effect of thermal annealing on Li and Na cyclability."

Grafenoxid är en isolerande och defekt version av grafen som kan omvandlas till en ledare eller en halvledare när den värms upp. Singh och hans team studerade grafenoxidark som flexibla papperselektroder för natrium- och litiumjonbatterier.

Forskarna fann att natriumlagringskapaciteten hos papperselektroder beror på avståndet mellan de enskilda skikten som kan justeras genom att värma det i argon eller ammoniakgas. Till exempel, reducerade grafenoxidark, eller rGO, produceras vid hög temperatur har nära noll natriumkapacitet, medan reducerade grafenoxidark producerade vid 500 grader C har maximal kapacitet.

"Observationen är viktig eftersom grafit, som är en prekursor för att göra grafenoxid, har försumbar kapacitet för natrium och har länge varit utesluten som livskraftig elektrod för natriumbatterier, "Singh sa. "Grafit är det material som väljs i nuvarande litiumjonbatterier eftersom avståndet mellan skikten är precis lagom för de mindre litiumjonerna att diffundera in och ut."

Forskarna är de första att visa att ett flexibelt papper som helt består av grafenoxidark kan laddas och urladdas med natriumjoner i mer än 1, 000 cykler. Natriumperkloratsalt löst i etylenkarbonat fungerade som elektrolyten i deras celler.

"De flesta litiumelektrodmaterial för natriumbatterier kan inte ens hålla i mer än några tiotals laddnings- och urladdningscykler eftersom natrium är mycket större än litium och orsakar enorma volymförändringar och skador på värdmaterialet, "Singh sa. "Denna design är unik eftersom avståndet mellan individuella grafenlager är tillräckligt stort för att möjliggöra snabb insättning och extraktion av natriumjonerna, tack vare syre- och väteatomerna som hindrar ark från att staplas om."

Singh och hans team studerade också det mekaniska beteendet hos elektroderna gjorda av reducerade grafenoxidark. Forskarna mätte belastningen som krävdes för att riva isär elektroderna. Genom videografi, de visade förmågan hos de skrynkliga grafenoxidpappren att upprätthålla stora påfrestningar innan de misslyckades.

"Sådana mätningar och studier av felmekanismer är viktiga för att designa batterier med lång livslängd eftersom du vill att elektroden ska kunna expandera och dra ihop sig upprepade gånger utan brott under tusentals cykler, speciellt för större icke-litiummetalljonbatterier, " sa Singh. "I dessa dagar, nästan alla använder skrynkligt grafen som antingen ledande medel eller elastiskt stöd eller båda."

Tidigare i år, Singh och hans team demonstrerade storskalig syntes av fålagertjocka ark av molybdendisulfid. De visade också att molybdendisulfid/grafenkompositpapper har potential som en högkapacitetselektrod för natriumjonbatterier. I den forskningen, forskarna använde grafen som en elektronledare för molybdendisulfidskivorna och observerade att grafen i stort sett var inaktivt mot natrium.

Deras senaste forskning har visat att till skillnad från natrium, litiumkapaciteten hos rGO ökar med ökande rGO-syntestemperatur och når maximalt värde för prov producerat vid 900 grader C.

"Det är först nu vi inser att natriumkapaciteten hos grafen, eller rGO, är beroende av dess bearbetningstemperatur, ", sa Singh. "rGO-proverna i vår tidigare studie preparerades vid 900 grader C."

Singh sa att forskning om natrium- och icke-litiumbatterier är viktig av flera anledningar. När fokus skiftar från fordon till stationära energilagringssystem och stora fordon, stationära batterier måste vara billigare, säker och miljövänlig. På grund av dess stora överflöd, natrium är en potentiell kandidat för att ersätta litiumjonbatterier.

Genom att fokusera på nanoteknik, Singh och hans team kunde utforska och designa material som kan lagra natriumjoner reversibelt och utan skador. De hittade svaret i grafenoxid, som kan cirkulera natriumjoner i mer än 1, 000 cykler.

Singh och hans team kommer att fortsätta utforska nya nanomaterial och fokusera på material som kan massproduceras på ett kostnadseffektivt sätt.

"Vi skulle vilja utföra grundläggande studier för att förstå ursprunget till första cykelförlust, spänningshysteres, och kapacitetsförsämring som är gemensam för metalljonbatterianoder framställda av 2D-skiktade kristaller som övergångsmetallkalkogenider, grafen, etc., " sa Singh.

Forskarna tittar också på andra nanomaterial som har uteslutits som batterielektroder, såsom bornitridskivor och kisel-kvävebaserad keramik.