Pasos para fabricar grafeno sin defectos:(a) grafito, (b) compuesto de intercalación de grafito de potasio, (c) nanohoja de grafeno, y (d) grafeno sin defectos. Imágenes digitales de (e) grafito de potasio, (f) una nanohoja de grafeno, y (g) grafeno sin defectos. (h) Imágenes SEM de (izquierda) una nanoplaca de grafeno y (derecha) grafeno sin defectos. (i) y (j) comparan los patrones de difracción de rayos X y la espectroscopia Raman de los materiales en (a-d). Crédito:Parque, et al. © 2014 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) - Ya se ha demostrado que el grafeno es útil en las baterías de iones de litio, a pesar de que el grafeno utilizado a menudo contiene defectos. Fabricación a gran escala de grafeno químicamente puro, estructuralmente uniforme, y el tamaño ajustable para aplicaciones de batería hasta ahora ha sido difícil de alcanzar. Ahora en un nuevo estudio, Los científicos han desarrollado un método para fabricar grafeno sin defectos (df-G) sin ningún rastro de daño estructural. Envolver una hoja grande de df-G con carga negativa alrededor de un Co con carga positiva 3 O 4 crea un ánodo muy prometedor para baterías de iones de litio de alto rendimiento.
Los grupos de investigación del profesor Junk-Ki Park y el profesor Hee-Tak Kim del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y el grupo de investigación del profesor Yong-Min Lee de la Universidad Nacional de Hanbat, todo en Daejeon, Corea del Sur, han publicado su artículo sobre el nuevo método de fabricación en un número reciente de Nano letras .
Como explican los investigadores, Los métodos actuales para fabricar grafeno de alta calidad se dividen en dos categorías:enfoques mecánicos y enfoques químicos. Mientras que la escisión mecánica proporciona grafeno de alta calidad, su bajo rendimiento lo hace insuficiente para la producción a gran escala. Enfoques químicos, por otra parte, Puede producir grandes cantidades pero puede implicar imperfecciones.
El nuevo método difiere de ambos tipos de métodos e implica algunos pasos clave. Primero, los investigadores llenaron un tubo Pyrex con polvo de grafito, y luego colocó el tubo de extremo abierto dentro de un tubo un poco más grande. Luego agregaron potasio al espacio inferior entre los dos tubos, selló los tubos, y los calentó. El calor hace que el potasio fundido se mueva dentro de los microporos entre los polvos de grafito, de modo que las moléculas de potasio se intercalen en las capas intermedias de grafito. Los compuestos de grafito de potasio resultantes se colocaron luego en una solución de piridina, lo que hace que las capas se expandan entre sí para formar nanohojas de grafeno que luego podrían enfriarse y exfoliarse una capa a la vez.
Los investigadores realizaron muchos conjuntos de experimentos en los que variaron factores como las temperaturas y el tipo de solución, que son fundamentales para controlar la calidad y el tamaño del df-G. Ellos encontraron que controlando la temperatura del paso de exfoliación, el tamaño del df-G se puede variar entre 0,25 y 14,0 µm 2 .
Los investigadores demostraron que envolver una hoja de gran tamaño con carga negativa de df-G alrededor de una pieza de Co con carga positiva 3 O 4 crea un ánodo con varias características impresionantes. Lo más significativo es su alta capacidad después de muchos ciclos (1050 mAh / ga 500 mA / gy 900 mAh / ga 1000 mAh / g incluso después de 200 ciclos). Según el leal saber y entender de los investigadores, esta capacidad reversible es la más alta entre todos los Co 3 O 4 electrodos jamás reportados.
Los investigadores explican que el df-G de gran tamaño, con su perfecta cristalinidad, mejora el rendimiento del ánodo porque cuando una sola hoja de grafeno se envuelve alrededor de un paquete de Co 3 O 4 partículas El co 3 O 4 se evita que las partículas se pulvericen y luego se desprendan eléctricamente del ánodo, que de otro modo ocurriría. Debido a este efecto protector, la capacidad del ánodo se conserva incluso después de 200 ciclos, mientras que los ánodos con una capa de grafeno imperfecta disminuyen rápidamente con el ciclo. El gran tamaño del grafeno juega un papel clave en el rendimiento porque un tamaño más grande proporciona una mayor estabilidad cíclica de los materiales del ánodo de tamaño nanométrico al mejorar su integridad mecánica.
Con estas ventajas, los investigadores esperan que el df-G traiga avances significativos de electrodos compuestos para una variedad de sistemas electroquímicos, incluidas las baterías, celdas de combustible, y condensadores.
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