Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben verticaal uitgelijnde enkelwandige koolstofnanobuisjes op metaalfolie gemaakt die een zegen kunnen zijn voor energieopslag en de elektronica-industrie.
Verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes (VACNT’s) hebben uitzonderlijke mechanische, elektrische en transporteigenschappen naast een uitgelijnde architectuur, die essentieel is voor toepassingen zoals membraanscheiding, thermisch beheer, vezelspinnen, elektronische verbindingen en energieopslag.
Tot op heden wordt de wijdverbreide integratie van VACNT’s in technologieën van de volgende generatie gedwarsboomd door een gebrek aan compatibele, economische massaproductiemogelijkheden. Hoogwaardige VACNT’s worden meestal gemaakt op substraten zoals silicium (Si) of kwartswafels die stijf, duur en elektrisch isolerend zijn.
Na het verkennen van metaalfolie-opties in de wetenschappelijke literatuur, wendde het LLNL-team zich tot Inconel-metaalsubstraten waardoor ze VACNT’s in flexibele apparaten konden integreren, een overdrachtsstap van Si naar andere substraten konden elimineren en elektrische of thermische transportweerstanden op de interface tussen CNT’s en het substraat konden minimaliseren , wat van cruciaal belang is voor elektronische en energieopslagtoepassingen. Inconel is een familie van op nikkel-chroom gebaseerde superlegeringen die oxidatie-corrosiebestendige materialen zijn die zeer geschikt zijn voor service in extreme omgevingen die worden blootgesteld aan druk en hitte.
“De overgang van de groei van hoogwaardige CNT’s van traditionele Si-substraten naar metaalfolies opent de deur naar een meer economische, grootschalige, semi-continue en roll-to-roll productie van multifunctionele CNT-composieten, nanoporeuze membranen en elektrochemische apparaten”, aldus LLNL-wetenschapper Francesco Fornasiero, co-auteur van een artikel dat in het tijdschrift verschijnt ACS toegepaste materialen en interfaces.
Synthese van hoogwaardige enkelwandige CNT’s (SWCNT’s) op metaalfolie zou vooral waardevol zijn voor apparaten voor energieopslag, zoals lithium-ionbatterijen (LIB’s). Hoewel grafietmaterialen gewone LIB-anodes zijn, voldoet hun capaciteit niet aan de snel evoluerende behoeften aan energieopslag.
“Het grote oppervlak en de uitzonderlijke elektronische geleidbaarheid van CNT’s maken ze tot uitstekende kandidaten voor elektrochemische toepassingen met hoge capaciteit en hoge snelheid”, zegt LLNL-wetenschapper Kathleen Moyer-Vanderburgh, hoofdauteur van het artikel. “Met name VA-SWCNT’s die op metaalfolie worden gekweekt, kunnen een bindmiddelvrij platform bieden met een sterke hechting tussen de SWCNT en de stroomafnemer, verbeterde geleidbaarheid en uitgelijnde kanalen voor snelle Li-ion-diffusie.”
Het LLNL-team kweekte bossen van verticaal uitgelijnde SWCNT op Inconel-metaal voor gebruik als LIB-anode. Teamleden vonden bijna onveranderlijke structurele eigenschappen van de CNT-bossen over een breed scala aan syntheseomstandigheden en voor meerdere metalen substraten. Gefabriceerde VA-SWCNT LIB-anode vertoonde een stabiele cyclus gedurende honderden cycli en een grote capaciteit, zelfs bij hoge cyclussnelheden.
“Onze resultaten suggereren dat deze SWCNT’s op Inconel-metaal veelbelovende materialen zijn voor hoogwaardige elektrochemische apparaten”, zegt LLNL-wetenschapper Jianchao Ye.
Meer informatie:
Kathleen Moyer-Vanderburgh et al., Groei en prestaties van hoogwaardige SWCNT-bossen op Inconel-folies als anodes voor lithium-ionbatterijen, ACS toegepaste materialen en interfaces (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c18396
Tijdschrift informatie:
ACS toegepaste materialen en interfaces
Geleverd door Lawrence Livermore National Laboratory