Восстановленный оксид графена как анодный материал для металл-ионных аккумуляторов

Актуальность

Металл-ионные аккумуляторы широко применяются в бытовой технике, например в сотовых телефонах и других портативных устройствах. В качестве катода в современных аккумуляторах используются литиевые соли, а в качестве анода – графит. Работа батарейки основана на способности ионов активного металла внедряться в анодный материал и удерживаться там (что соответствует разряду батарейки) и покидать его под действием тока (заряд). Миграция катионов металла от катода к аноду под действием разности их потенциалов порождает электрический ток во внешней цепи, на котором и работает подключенный к батарейке прибор.

Актуальна замена дорогих литиевых солей на значительно более дешевые и доступные натриевые и калиевые соли, однако способность материала интеркалировать катионы металлов существенно зависит от их ионного радиуса. Катионы натрия и калия из-за своего большего радиуса практически не внедряются между слоями графита, и создание аккумуляторов с катодами на основе солей этих металлов требует поиска других анодных материалов. Перспективной основой для изготовления анодов представляется восстановленный оксид графена.

Графен – аллотропная модификация углерода, наноматериал, представляющий собой монослой графита. Графен, применяемый в качестве основы для анодного материала, синтезируется из графита химическим путем окисления, приводящего к разрушению межслойных связей, и последующего восстановления. Получающееся вещество имеет рыхлую структуру с большим количеством полостей, возникающих за счет хаотичного расположения углеродных монослоев.

Цель

Выявление оптимального способа восстановления оксида графена для дальнейшего применения образца в качестве анодного материала для металл-ионных аккумуляторов.

Задачи

1. Синтезировать оксид графена по модифицированному методу Хаммерса.
2. Восстановить полученный оксид графена различными методами: термическим и химическими.
3. Собрать литий-ионные и натрий-ионные аккумуляторы, используя в качестве основы для анодного материала полученные образцы восстановленного графена.
4. Определить электрохимические характеристики собранных аккумуляторов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Оборудование для фильтрования в вакууме водоструйного насоса
• Перчаточный бокс (для сборки аккумуляторов)
• Тестер для определения стабильности ёмкости аккумулятора

Описание

Целью работы было выявить оптимальный способ восстановления оксида графена для его применения в качестве анодного материала для металл-ионных аккумуляторов. Оксид графена был синтезирован путем двухстадийного окисления графита − персульфатом калия и затем перманганатом калия и восстановлен далее по трем методикам − действием гидразина, действием аскорбиновой кислоты и путем прокаливания в инертной атмосфере. Предполагалось, что наилучшие параметры покажут батарейки с анодом из оксида графена, восстановленного термически: этот способ позволяет удалить из вещества максимальное количество функциональных групп и избежать загрязнения материала восстановителем, который может вызвать побочные реакции и привести к снижению ёмкости аккумулятора. Были собраны аккумуляторы с анодом на основе каждого из трех полученных образцов и катодами из металлического лития и натрия. Их технические параметры определены с помощью тестера, обеспечивающего постоянную силу тока разряда. Ёмкость аккумуляторов с анодом из восстановленного термически оксида графена действительно оказалась в 2-4 раза больше ёмкости аккумуляторов с тем же катодом и анодом из оксида графена, восстановленного химически.

Результаты работы/выводы

1. Использование восстановленного графена в качестве анодного материала действительно возможно как для литий-, так и для натрий-ионных аккумуляторов.
2. Наиболее эффективным способом восстановления оксида графена для дальнейшего применения в качестве анодного материала является термическое восстановление: ёмкость аккумуляторов с анодом из восстановленного термически оксида графена оказалось в 2-4 раза больше ёмкостей аккумуляторов с тем же катодом и анодом из оксида графена, восстановленного химически.

Перспективы использования результатов работы

Результаты работы могут быть использованы при создании аккумуляторов, использующих соли натрия и калия вместо солей лития.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Работа выполнена в Институте общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН (ИОНХ РАН)