от Lisa Zyga, Phys.org
(Phys.org)âКогато Овадия Лев, професор по химия на околната среда и здраве в Еврейския университет в Йерусалим, и неговият изследователски екип разработиха нова технология за покритие преди няколко години, те смятаха, че това е интересен резултат от тяхното изследване в разтвори на водороден прекис. Те обаче не бяха сигурни какво да правят с него, докато не срещнаха екип от изследователи, търсещи лесен начин за синтезиране на нови анодни материали за литиево-йонна батерия, като композити от графен-калаен оксид.
„От няколко години моята лаборатория, в сътрудничество с моя бивш постдокторант и настоящ изследователски партньор, д-р Петр Приходченко, изследва зол-гел химията в разтвори, богати на водороден пероксид“, каза Лев пред Phys.org. „Един от резултатите от това изследване беше технология за покриване на частици с нанометрични точки от метален оксид. Започнахме да търсим привлекателно демонстрационно приложение, което да извади на светло предимствата на нашата процедура за нанасяне на покритие. В известен смисъл имахме лекарство и бяхме търси подходящо заболяване.
„След това моята лаборатория се включи в сътрудничество между Израел и Сингапур, подкрепено от Сингапурската национална изследователска фондация по програмата CREATE: Наноматериали за управление на енергията и водите, и нашите сингапурски партньори скоро осъзнаха, че анодите на литиево-йонните батерии могат да извлекат голяма полза от гъвкавост и простота на нашия подход за покритие от частици."
Изследователите на батерии намират графен-калаен оксид за привлекателен като аноден материал в литиево-йонни батерии поради три основни причини: той има висок теоретичен капацитет за зареждане, графенът има висока проводимост и графеновият оксид и нанокристалите от калаен оксид са в близък контакт.
Проблемът е, че синтезирането на тези композити, което включва покриване на ултра-тънък слой от нанокристали от калаен оксид върху лист от графенов оксид, преди това е бил скъп, високотемпературен процес. Но с помощта на новата технология за покритие изследователите откриха, че могат да синтезират композити графен-калаен оксид при стайна температура, без сложна инфраструктура, на намалена цена и по екологичен начин.
Лев, Приходченко и техните съавтори от институции в Израел, Русия и Сингапур публикуваха своето проучване върху подобрения метод на синтез в скорошен брой на Нанотехнологиите.
Както обясняват изследователите, новата технология за покритие от частици използва водороден пероксид, за да предизвика образуването и отлагането на нанокристали от калаен оксид върху графенов оксид. В предишно проучване изследователите установиха, че водородният пероксид насърчава образуването на покритие от калаен оксид чрез няколко химични механизма, като например насърчаване на свързването и предотвратяване на агрегацията на частици.
Използвайки тази техника на покритие, тук изследователите постигнаха среден размер на нанокристалите на калаен оксид от само 2,5 nm, което е значително по-малко от размера от 4 nm, постигнат преди това. Малкият размер намалява деформацията, причинена от литиевата сплав, което от своя страна подобрява цикличността на зареждане/разреждане.
За да демонстрират ефективността на композитите в батериите, изследователите са използвали графен-калаен оксид, за да подготвят два вида литиево-йонни аноди: графенов оксид с покритие от калаен оксид и графенов оксид с покритие от калаен оксид и калай. И двата анода показаха висок капацитет (започващ от около 1500 mAhg-1), който надвишава прогнозирания теоретичен капацитет, въпреки че спадна до около 700 mAhg-1 след 90 цикъла. И двата анода също показват стабилна цикличност на зареждане/разреждане поради интимния контакт между проводимия графен и много малки нанокристали от калаен оксид. Композитът без калай показва по-висок капацитет на зареждане, но малко по-ниска стабилност след продължителен цикъл на зареждане/разреждане в сравнение с композита, покрит както с калаен оксид, така и с калай, което изследователите приписват на разликата в термичната обработка, а не на разликата в състава.
Лев обясни как анодите от графен-калаен оксид се вписват в общата картина на текущите изследвания на литиево-йонните батерии.
„Литиево-йонните батерии са разработени в няколко паралелни посоки, насочени към подобрения в капацитета за зареждане, специфичната енергийна плътност, скоростите на зареждане и разреждане, живота на батерията и избледняването на заряда, безопасността на батерията и преди всичко цената на батерията, което изисква евтин производствен процес от евтини суровини", каза той. „Всяко приложение на зареждаеми батерии трябва да има различна целева функция за оптимизация, което води до различен състав на клетките. Например избледняването на заряда се толерира по различен начин в играчките и смарт телефоните и двете различни потребителски популации ще бъдат готови да плащат различно за допълнителна батерия живот.
„Нашият нов подход е насочен само към два от тези аспекти: превъзходен капацитет на зареждане, който е над два пъти по-голям от този на графитните аноди, и ниска цена, която се проявява в евтини суровини и мокра химическа обработка.“
В бъдеще учените планират да разширят своите изследвания към други състави на електроди, които могат да се възползват от зол-гел обработката на водороден пероксид.
