Grafit diéta lítium-ion akkumulátorokban
Grafénból készült hidrogélekkel új nagy teljesítményű elektródákhoz
Hogyan lehet az elemek és akkumulátorok elektródáit hatékonyabbá tenni? Az Angewandte Chemie folyóiratban amerikai tudósok grafénből készített szolvát struktúrákat mutatnak be, amelyek robusztus, nagy teljesítményű anyagként szolgálhatnak az anód számára. Az így elkészített elektróda lítium gombcellába szorítva lényegesen jobb kapacitást mutatott, mint a hagyományos grafit.
Az, hogy milyen erősek a lítium-ion akkumulátorok, elsősorban attól függ, hogy milyen anyagokból készülnek az elektródák. Nemcsak a vezetőképességnek kell magasnak lennie, hanem a porozitásnak is rendkívül fontos a lítiumionok gyors diffúziójának biztosítása a töltési/kisütési ciklusok alatt. Általában a szenet grafit formájában használják. Xiangfeng Duan azonban hátrányokat lát a grafittal szemben támasztott jövőbeli követelmények szempontjából, mert valójában csak alacsony az elméleti kapacitása, és nincsenek különösebben jó töltési/kisülési tulajdonságai
Ezzel szemben a grafén, amely csak egy szénatomrétegből áll, hatalmas felületet kínál és mechanikailag nagyon rugalmas. Nehéz azonban grafént háromdimenziós elektródszerkezetbe csomagolni aggregáció nélkül, vagyis területvesztés nélkül. Ebben az összefüggésben Duan és csoportja a Kaliforniai Egyetemen hidratált graféngélt készített, amely stabil, porózus 3D szerkezetekké alakítható, kiváló elektród tulajdonságokkal.
Kémiai és fizikai hidrotermális eljárással a tudósok a grafén-oxid port olyan stabil hidrogélré alakították, hogy az szabadon állhasson kocka formájában. Ezen a kockán a kutatók egyszerűen kicserélték a vízmolekulákat ionos folyadékokkal vagy szerves oldószerekkel. Az így előállított szolvatált grafén váz például a lítium gombelem elektródjaiba nyomható. Mivel megtartotta porozitását, ezek az elektródák lényegesen jobb lítium diffúziót mutattak, mint a szilárd grafit, és hogy a grafén kiváló elektronikus tulajdonságai mellett.
Az aerogélekhez, vagyis a száraz, porózus grafén vázakhoz képest az új szolvatált váz is jobban teljesített. De a tudósok szeretnék hangsúlyozni kutatásaik általános szempontját is: az ilyen háromdimenziós grafénszerkezetek nemcsak az akkumulátortechnika szempontjából nyújtanak nagy előnyöket. Az új eredmények általában "alapvető megállapításokat" tettek lehetővé az "energiatárolásra és fejlett technológiákra szánt grafén anyagok jövőbeni koncepciójának és szintézisének".