Verbesserung von Natriumionenbatterien mit mechanisch robustem nanozellulärem Graphen

16.04.2024

Seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 hat Graphen den Bereich der Materialwissenschaft und darüber hinaus revolutioniert. Graphen besteht aus zweidimensionalen Schichten von Kohlenstoffatomen, die in einer dünnen sechseckigen Form mit einer Dicke von einer Atomlage verbunden sind. Dies verleiht ihm bemerkenswerte physikalische und chemische Eigenschaften. Trotz seiner geringen Dicke ist Graphen unglaublich stark, leicht, flexibel und transparent. Außerdem weist es eine außergewöhnliche elektrische und thermische Leitfähigkeit, eine große Oberfläche und Gasundurchlässigkeit auf. Von Hochgeschwindigkeitstransistoren bis hin zu Biosensoren bietet es eine unübertroffene Vielseitigkeit an Anwendungen.

S.H. Joo & H. Kato

Schematische Darstellung der Bildung von NCG während der Flüssigmetalllegierung einer amorphen Mangan-Kohlenstoff-Legierung (Mn-C) in geschmolzenem Wismut (Bi), um eine selektive Auflösung von Manganatomen (Mn) und eine Selbstorganisation von Kohlenstoffatomen (C) zu Graphenschichten zu bewirken.

Nanozelluläres Graphen (nanocellular graphene, NCG) ist eine spezielle Form von Graphen, die eine große spezifische Oberfläche erreicht, indem sie mehrere Graphenschichten übereinander legt und ihre innere Struktur durch eine zelluläre Morphologie im Nanomaßstab kontrolliert.

NCG ist wegen seines Potenzials zur Verbesserung der Leistung von elektronischen Geräten, Energiegeräten und Sensoren begehrt. Seine Entwicklung wurde jedoch durch Defekte behindert, die während des Herstellungsprozesses auftreten. Bei der Herstellung von NCG treten häufig Risse auf, und die Wissenschaftler suchen nach neuen Verarbeitungstechnologien, mit denen homogene, rissfreie und nahtlose NCG in angemessenem Maßstab hergestellt werden können.

"Wir entdeckten, dass sich Kohlenstoffatome während der Flüssigmetalllegierung eines amorphen Mn-C-Vorläufers in geschmolzenem Wismut schnell selbst zu rissfreien NCGs zusammenfügen", sagt Won-Young Park, Doktorand an der Tohoku-Universität.

Das Entlegieren ist eine Verarbeitungstechnik, bei der die unterschiedliche Mischbarkeit von Legierungsbestandteilen in einem geschmolzenen Metallbad ausgenutzt wird. Bei diesem Verfahren werden bestimmte Komponenten der Legierung selektiv korrodiert, während andere erhalten bleiben.

Park und seine Kollegen wiesen nach, dass die mit dieser Methode entwickelten NCGs nach der Graphitierung eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Leitfähigkeit aufwiesen. Außerdem erprobten sie das Material in einer Natrium-Ionen-Batterie (SIB).

"Wir haben das entwickelte NCG als aktives Material und Stromkollektor in einer SIB verwendet, wo es eine hohe Rate, eine lange Lebensdauer und eine ausgezeichnete Verformungsbeständigkeit zeigte. Letztendlich wird unsere Methode zur Herstellung von rissfreiem NCG es ermöglichen, die Leistung und Flexibilität von SIBs zu erhöhen - eine alternative Technologie zu Lithium-Ionen-Batterien für bestimmte Anwendungen, insbesondere in großen Energiespeichern und stationären Stromversorgungssystemen, bei denen Kosten-, Sicherheits- und Nachhaltigkeitserwägungen im Vordergrund stehen."

Neben Park arbeiteten Soo-Hyun Joo vom Institute of Materials Research (derzeit an der Dankook University angesiedelt) und Hidemi Kato vom selben Institut.

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