Pažangesnėms baterijoms – grafeno nanokompozitai

Tyrėjai, bendradarbiaudami su JAV Energijos departamento Lorenco Berklio nacionaline laboratorija, sukūrė grafeno ir alavo kompozitinę nanomedžiagą, tinkančią didelės talpos įkraunamoms ličio jonų baterijoms. Grafeno lakštais apgaubę alavą sluoksnį, mokslininkai sukonstravo naują itin lengvą „sumuštinio“ struktūrą, kuri turėtų padidinti baterijų našumą.

„Tam, kad sukonstruotume vykusį elektromobilį, reikia lengvos baterijos, kurią būtų galima sparčiai įkrauti ir kurios talpa nemažėtų po nuolat kartojamų įkrovimų ciklo, – pasakoja tyrimams vadovavęs Jugangas Žangas (Yuegang Zhang), dirbantis Berklio laboratorijos Neorganinių nanostruktūrų padalinyje. – Šiuo darbu mes atskleidžiame praktišką nanoarchitektūrą, kuriai nereikia papildomų darinių, kad būtų užtikrintas geresnis baterijos veikimas.“

Kaip žinia, grafenas yra dvimatė vieno anglies atomo storio plėvelė, sudaryta iš heksagoninės formos gardelės. Šis darinys pasižymi pasakiškomis elektroninėmis ir mechaninėmis savybėmis, gerokai pralenkiančiomis silicį ir kitas tradicines puslaidininkines medžiagas. Ankstesniuose savo darbuose J. Žangas kartu su kolegomis pabrėžė galimus grafeno taikymus konstruojant elektroninius įtaisus.

Šiame darbe tyrėjų komanda sudėliojo pasikartojančius grafeno ir alavo sluoksnius, kad sukurtų nanokompozitinę medžiagą. Visų pirmą, ant grafeno sluoksnio yra uždedama plona alavo plėvelė. Toliau ant alavo plėvelės yra uždedamas kitas grafeno sluoksnis. Šis procesas yra kartojamas, kad būtų sukurta kompozitinė medžiaga, kuri pakaitinama iki 300 ^oC temperatūros vandenilio ir argono aplinkoje. Šio kaitinimo proceso metu alavo plėvelė virsta tam tikru stulpelių rinkiniu, dėl kurio padidėja alavo sluoksnio aukštis.

„Plonos plėvelės virtimas šiais alavo nanostulpeliais yra tokiai sistemai būdingas vyksmas, todėl mes aptikome, jog atstumas tarp viršutinio ir apatinio grafeno sluoksnių taip pat pakito“, – teigia Livenas Ji (Liwen Ji), atliekantis podoktorantūros stažuotę Berklio laboratorijoje.

Atstumo tarp grafeno sluoksnių padidėjimas šiuose naujuose nanokompozituose itin praverčia vykstant elektrocheminiams procesams baterijoje, mat alavo tūrio pokytis pagerina elektrodų veikimą. Be to, šis prisitaikantis medžiagos elgesys reiškia, jog bateriją galima įkrauti sparčiai ir jos talpa laikui bėgant nemažėja. Tai labai svarbi savybė, būtina konstruojant įkraunamas elektromobilių baterijas.

„Mes čia, Berklio laboratorijoje, vykdome plačią baterijų kūrimo programą, – anksčiau išsakytas mintis pratęsia kita straipsnio bendraautoris Vinsentas Batalija (Vincent Battaglia). – Dalyvaudami „Carbon Cycle 2.0“ programoje, mes galime pasinaudoti kokybiška įranga ir puikių specialistų pagalba, kurią suderinę su savo pačių įžvalgomis kuriame ateities medžiagas.“