Îmbunătățirea bateriilor cu ioni de sodiu cu grafen nanocelular robust din punct de vedere mecanic

Grafenul nanocelular, o formă specializată a materialului revoluționar grafen, este râvnit pentru capacitatea sa de a îmbunătăți performanța dispozitivelor electronice, a dispozitivelor energetice și a senzorilor. Dar dezvoltarea sa a fost împiedicată de fisurile care apar în timpul procesului de fabricație. Acum, cercetătorii au descoperit un mijloc de a obține un NCG robust și fără fisuri – ceva pe care l-au folosit cu succes într-o baterie cu sodiu.

Ilustrație schematică pentru formarea NCG în timpul dezalării metalelor lichide a aliajului amorf mangan-carbon (Mn-C) într-un bismut topit (Bi) pentru a induce dizolvarea selectivă a atomilor de mangan (Mn) și auto-organizarea atomilor de carbon (C) în grafen straturi. SH Joo & H. Kato.

Grafenul cuprinde foi bidimensionale de atomi de carbon, legați într-o formă hexagonală subțire cu o grosime de un strat de atom. Acest lucru îi conferă proprietăți fizice și chimice remarcabile. În ciuda subțirii sale, grafenul este incredibil de puternic, ușor, flexibil și transparent. De asemenea, prezintă o conductivitate electrică și termică extraordinară, suprafață mare și impermeabilitate la gaze. De la tranzistoare de mare viteză la biosenzori, se mândrește cu o versatilitate de neegalat în aplicații.

Grafenul nanocelular (NCG) este o formă specializată de grafen care realizează o suprafață specifică mare prin stivuirea mai multor straturi de grafen și controlând structura sa internă cu o morfologie celulară la scară nanometrică.

NCG este râvnit pentru potențialul său de a îmbunătăți performanța dispozitivelor electronice, dispozitivelor energetice și senzorilor. Dar dezvoltarea sa a fost împiedicată de defecte care apar în timpul procesului de fabricație. Crăpăturile apar adesea când se formează NCG, iar oamenii de știință caută noi tehnologii de procesare care să poată fabrica NCG-uri omogene, fără fisuri și fără sudură la scară adecvată.

Am descoperit că atomii de carbon se autoasamblează rapid în NCG fără fisuri în timpul dezalării metalelor lichide a unui precursor amorf de Mn-C într-un bismut topit.

—Won-Young Park, student absolvent la Universitatea Tohoku

 

Dealajarea este o tehnică de procesare care exploatează miscibilitatea variată a componentelor aliajului într-o baie de metal topit. Acest proces corodează selectiv anumite componente ale aliajului, păstrând în același timp altele.

Park și colegii săi au demonstrat că NCG-urile dezvoltate prin această metodă au prezentat rezistență ridicată la tracțiune și conductivitate ridicată după grafitizare. Mai mult, au pus materialul la încercare într-o baterie cu ioni de sodiu (SIB).

Am folosit NCG dezvoltat ca material activ și colector de curent într-un SIB, unde a demonstrat o rată mare, viață lungă și rezistență excelentă la deformare. În cele din urmă, metoda noastră de a face NCG fără fisuri va face posibilă creșterea performanței și flexibilității SIB-urilor – o tehnologie alternativă la bateriile litiu-ion pentru anumite aplicații, în special în sistemele de stocare a energiei la scară largă și sistemele de alimentare staționare în care costul, siguranța. , iar considerentele de durabilitate sunt primordiale.