堪萨斯州立大学的工程师在可充电电池应用方面取得了突破。
机械和核工程助理教授Gurpreet Singh和他的学生研究人员首次证明复合纸 – 由交错的二硫化钼和石墨烯纳米片制成 – 既可以是有效储存钠原子的活性材料，也可以是灵活的集电器。新开发的复合纸可用作钠离子电池中的负极。
“大多数钠离子电池负极使用与钠发生”合金化“反应的材料，”辛格说。“当电池充电和放电时，这些材料会膨胀多达400%至500%，这可能导致机械损坏并失去与集电器的电接触。”
“二硫化钼是纸电极的主要成分，它提供了一种新的钠离子化学，它是嵌入和转化型反应的结合，”辛格说。“纸电极提供稳定的充电容量230 mAh.g-1，相对于总电极重量。此外，纸电极的交错和多孔结构提供了平滑的通道，钠可以随着电池的充电而扩散进出。这种设计还消除了传统电池电极中使用的聚合物粘合剂和铜集电箔。“
该研究发表在最新一期的ACS Nano杂志上，文章“MoS2 /用于钠离子电池电极的石墨烯复合纸”。
在过去的两年里，研究人员一直在开发新的方法，以快速和经济的方式合成原子级薄的二维材料 – 石墨烯，钼和二硫化钨 – 克数量，特别是对于可充电电池应用。
对于最新的研究，工程师们创造了一种大面积复合纸，它由酸处理的层状二硫化钼和化学改性的石墨烯组成，交错结构。该研究标志着这种柔性纸电极首次用于钠离子电池作为在室温下工作的阳极。辛格说，大多数商用钠硫电池的工作温度接近300摄氏度。
辛格说这项研究很重要，原因有两个：
1.合成大量单层或几层厚的2-D材料对于理解材料(如过渡金属二硫属化物，TMD和石墨烯)的真正商业潜力至关重要。
2.通过除常规嵌入和合金化反应之外的机制，基本了解钠如何储存在层状材料中。此外，使用石墨烯作为柔性支撑和集电器对于消除铜箔和制造更轻和可弯曲的可充电电池至关重要。与锂相比，钠供应基本上是无限的，并且电池预计会便宜很多。
“从合成的角度来看，我们已经证明某些过渡金属二硫属化合物可以在强酸中脱落，”辛格说。“这种方法应该能够合成克数量的几层厚的二硫化钼薄板，这对于柔性电池，超级电容器和聚合物复合材料等应用非常重要。对于这种应用，几个原子厚度的TMD薄片就足够了非常高质量的单层薄片不是必需品。“
在大学商业化研究所的协助下，研究人员正致力于将该技术商业化。他们还在探索其他纳米材料中的锂和钠储存。
