Wysmażone pomponiki z grafenu sposobem na pojemne i tanie akumulatory

Z jednej strony zużywające coraz więcej energii komponentyurządzeń mobilnych, z drugiej strony akumulatory Li-ion, niczymspecjalnym nie różniące się od modeli używanych kilka lat temu –to nie jest dobre połączenie. Niestety mimo licznych starań,większość alternatywnych metod na przechowywanie energii nie wychodzipoza stadium laboratoryjne. Teraz za sprawą koreańskich chemikówpojawia się szansa na wyjście z tego impasu – udało im sięznaleźć metodę opłacalnej produkcji elektrod z grafenu, pozwalającychna budowę akumulatorów o nawet trzykrotnie większej pojemności iznacznie dłuższym cyklu życia niż obecnie stosowane.

Produkcja grafenu na skalę przemysłową wciąż umyka nawetnajbardziej doświadczonym firmom z branży chemicznej. Początkowo niktnie spodziewał się takiego obrotu sprawy – pierwszą warstwęgrafenu zrobiono przecież za pomocą zwykłej taśmy klejącej,przyklejanej i odrywanej od warstwy grafitu. Mijały jednak lata, arozmaite technologie produkcji okazywały się albo ogromnie kosztownealbo nieskalujące się poza laboratorium. Największym wyzwaniem byłoułożenie grafenu w docelowe struktury, takich jak np. trójwymiaroweelektrody, które zachowałyby pełną charakterystykę dwuwymiarowych,nanoskopowych warstw.

Zaproponowane przez Koreańczyków rozwiązanie wygląda bardzociekawie. W opublikowanym w najnowszym numerze naukowego periodykuChemistry of Materials artykulept. *Spray-Assisted Deep-Frying Process for the In Situ SphericalAssembly of Graphene for Energy-Storage Devices *opisują oninowatorską metodę „smażenia” grafenu, prowadzącą dospontanicznego formowania się trójwymiarowych cząstek, zachowującychpożądane właściwości dwuwymiarowych struktur.

Zaczyna się od tlenkugrafenu, czyli stosu kilku warstw utlenionego grafenu orozpiętości do kilkuset mikrometrów, którego płatki wprowadzane są doultradźwiękowego rozpylacza. Ten pod wysokim ciśnieniem wystrzeliwujeje w postaci grafenowych mikrosfer do superrozgrzanego (160°C)organicznego rozpuszczalnika, zawierającego czynnik redukcyjny.Połączenie wysokiej temperatury i działania środka redukującegoprowadzi do gwałtownego odgotowania wilgoci na powierzchni mikrosfer.Szybkość tej reakcji sprawia, że opuszczająca mikrosferę wodapowoduje wypchnięcie grafenowych włókien na zewnątrz, tworząc w tensposób promieniście ułożone warstwy, przypominające pomponiki nazimowych czapkach. Grafenowe pomponiki łatwo następnie ściągnąć zpowierzchni roztworu.

W ten sposób uzyskujemy trójwymiarowe cząsteczki w niedrogim iszybkim procesie. Zbudowane z nich elektrody okazują się miećpojemność na poziomie 1500-1650 mAh/cm3, ponad trzykrotniewiększej niż pojemność tradycyjnych anod grafitowych (ok. 372 mAh/cm3). Sam proces pozwala na o wiele więcej –badacze rozważają np. tworzenie materiałów hybrydowych, w którychwewnątrz grafenowych „pomponików” znajdą się nanocząstkikrzemu, i które można byłoby bezpośrednio zastosować w ogniwachlitowo-jonowych. Pozwoliłoby to wielokrotnie wydłużyć ich żywotność,chroniąc je przed konsekwencjami zmian objętości struktur krzemowychw trakcie procesów elektrochemicznych.

Szansa na wdrożenie tego rozwiązania jest spora – pracarealizowana była w ramach grantów przyznanych przez koreańskieMinisterstwo Gospodarki bazującej na Wiedzy i Koreańskiego InstytutuOceny i Planowania Technik Energetycznych, a kilku uczestniczących wniej badaczy to pracownicy GSEnergy, jednej z wiodących firm sektora energetycznego KoreiPołudniowej.