Verbetering van natriumionbatterijen met mechanisch robuust nanocellulair grafeen

Sinds de ontdekking ervan in 2004 heeft grafeen een revolutie teweeggebracht op het gebied van de materiaalkunde en daarbuiten. Grafeen bestaat uit tweedimensionale lagen koolstofatomen, gebonden in een dunne zeshoekige vorm met een dikte van één atoomlaag. Dit geeft het opmerkelijke fysische en chemische eigenschappen.

Ondanks zijn dunheid is grafeen ongelooflijk sterk, lichtgewicht, flexibel en transparant. Het vertoont ook een buitengewone elektrische en thermische geleidbaarheid, een groot oppervlak en ondoordringbaarheid voor gassen. Van snelle transistors tot biosensoren, het beschikt over een ongeëvenaarde veelzijdigheid in toepassingen.

Nanocellulair grafeen (NCG) is een gespecialiseerde vorm van grafeen die een groot specifiek oppervlak bereikt door meerdere lagen grafeen te stapelen en de interne structuur ervan te controleren met een cellulaire morfologie op nanoschaal.

NCG wordt begeerd vanwege zijn potentieel om de prestaties van elektronische apparaten, energieapparaten en sensoren te verbeteren. Maar de ontwikkeling ervan wordt belemmerd door defecten die optreden tijdens het productieproces. Er ontstaan ​​vaak scheuren bij het vormen van NCG, en wetenschappers zijn op zoek naar nieuwe verwerkingstechnologieën die homogene, scheurvrije en naadloze NCG’s op de juiste schaal kunnen vervaardigen.

“We ontdekten dat koolstofatomen zichzelf snel assembleren tot scheurvrij NCG tijdens het verhandelen van vloeibaar metaal van een amorfe Mn-C-voorloper in gesmolten bismut”, zegt Won-Young Park, een afgestudeerde student aan de Tohoku Universiteit.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen.

Dealloying is een verwerkingstechniek die gebruik maakt van de variërende mengbaarheid van legeringscomponenten in een gesmolten metaalbad. Dit proces corrodeert selectief bepaalde componenten van de legering terwijl andere behouden blijven.

Park en zijn collega’s toonden aan dat NCG’s die volgens deze methode waren ontwikkeld, na grafitisering een hoge treksterkte en hoge geleidbaarheid vertoonden. Bovendien hebben ze het materiaal getest in een natrium-ionbatterij (SIB).

“We gebruikten de ontwikkelde NCG als actief materiaal en stroomafnemer in een SIB, waar het een hoge snelheid, lange levensduur en uitstekende weerstand tegen vervorming vertoonde. Uiteindelijk zal onze methode om scheurvrije NCG te maken het mogelijk maken om de prestaties te verbeteren en flexibiliteit van SIB’s – een alternatieve technologie voor lithium-ionbatterijen voor bepaalde toepassingen, vooral in grootschalige energieopslag en stationaire energiesystemen waar kosten-, veiligheids- en duurzaamheidsoverwegingen voorop staan.”