Grafit na strave v lítium-iónových batériách
S hydrogélmi vyrobenými z grafénu pre nové vysoko výkonné elektródy
Ako je možné zefektívniť elektródy batérií a akumulátorov? V časopise Angewandte Chemie americkí vedci prezentujú solvatované štruktúry vyrobené z grafénu, ktoré môžu slúžiť ako robustný a vysoko výkonný materiál pre anódu. Takto skonštruovaná elektróda, upnutá do lítiového gombíkového článku, vykazovala výrazne lepšiu kapacitu ako bežný grafit.
To, aké silné sú lítium-iónové batérie, závisí predovšetkým od materiálov, z ktorých sú elektródy vyrobené. Vodivosť musí byť nielen vysoká, ale aj pórovitosť je mimoriadne dôležitá na zabezpečenie rýchlej difúzie lítiových iónov počas cyklov nabíjania/vybíjania. Uhlík sa zvyčajne používa v grafitovej forme. Xiangfeng Duan však vidí v grafite nevýhody pre budúce požiadavky, pretože má v skutočnosti iba nízku teoretickú kapacitu a žiadne zvlášť dobré vlastnosti pri nabíjaní/vybíjaní.
Naproti tomu grafén, ktorý sa skladá iba z jednej vrstvy atómov uhlíka, ponúka obrovský povrch a je mechanicky vysoko pružný. Je však ťažké zabaliť grafén do trojrozmernej elektródovej štruktúry bez agregácie, to znamená bez straty plochy. V tejto súvislosti Duan a jeho skupina na Kalifornskej univerzite vytvorili hydratovaný grafénový gél, ktorý je možné previesť na stabilné, pórovité 3D štruktúry s vynikajúcimi vlastnosťami elektród.
Vedci pomocou chemického a fyzikálneho hydrotermálneho procesu premenili prášok oxidu grafénového na hydrogél, ktorý je taký stabilný, že môže voľne stáť vo forme kocky. Na tejto kocke vedci jednoducho vymenili molekuly vody za iónové kvapaliny alebo organické rozpúšťadlá. Takto vyrobená solvatovaná grafénová kostra sa mohla lisovať napríklad do elektród pre lítiový gombíkový článok. Pretože si zachovávali svoju pórovitosť, vykazovali tieto elektródy výrazne lepšiu difúziu lítia ako tuhý grafit, a to s vynikajúcimi elektronickými vlastnosťami grafénu.
V porovnaní s aerogélmi, t. J. Suchými, pórovitými grafénovými rámcami, si nový solvatovaný rámik tiež počínal lepšie. Vedci by však chceli zdôrazniť aj všeobecný aspekt ich výskumu: Takéto trojrozmerné grafénové štruktúry ponúkajú veľké výhody nielen pre technológiu batérií. Nové výsledky vo všeobecnosti umožnili „zásadné zistenia“ pre „budúcu koncepciu a syntézu grafénových materiálov na skladovanie energie a pokročilé technológie“.