Zespół naukowców z Uniwersytetu Maryland hoduje pionowo ułożone „lasy” nanorurek węglowych na trójwymiarowych podłożach przewodzących, by zbadać ich potencjalne zastosowanie jako katody w bateriach litowych nowej generacji.
Rys.1 Typy nanorurek węglowych
Podczas AVS 61. Międzynarodowego Sympozjum, które miało miejsce 9-14 listopada 2014 roku w Baltimore, zespół opisał proces tworzenia ogniwa akumulatora litowo-tlenowego (Li-O2).
Nanorurki węglowe są zwykle tworzone na dwuwymiarowych lub planarnych podłożach. Nowo opracowana struktura uważana jest jednak za 3-D, ponieważ nanorurki są uprawiane na porowatej, gąbczastej konstrukcji z niklu pokrytego ceramicznym tlenkiem glinu.
Baterie zazwyczaj składają się z anody, katody i elektrolitu. Trójwymiarowa struktura stanowi katodę takiej baterii.
„Nasz zespół opracował samodzielnie funkcjonujące, pokryte katalizatorem katody z nanorurek węglowych. W tym celu wykorzystano ALD (atomic layer deposition) i elektrochemiczne metody osadzania,” powiedział Marshall Schroeder członek Grupy Badawczej Rubloff Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Maryland. „Mamy także wyjątkowe możliwości badania in situ [1] z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej i spektroskopii rentgenowskiej w celu analizy elementarnej nieskazitelnie czystych elektrod.”
Jak zespół buduje katody swoich baterii? Najpierw tworzą cienką warstwę (~5 nm ) tlenku glinu za pomocą ALD. Następnie dodają warstwę żelaza jako katalizatora wzrostu dla chemicznego osadzania węgla z fazy gazowej ( CVD).
Warstwa ALD „działa jak bariera dyfuzyjna, która powstrzymuje katalizator wzrostu przed wniknięciem w strukturę niklowej pianki podczas wysokotemperaturowego procesu wzrostu węgla ” wyjaśnia Schroeder. „Budowanie struktur węglowych jest silnie uzależnione od parametrów procesu CVD – katalizatora, czasu wzrostu, temperatury, rodzaju prekursora, szybkości przepływu itd. Tak więc, optymalizacja procesu była konieczna do osiągnięcia pionowej struktury nanorurek węglowych”.
Zespół odkrył, że zoptymalizowany proces wzrostu spowodował powstanie uporządkowanej struktury porów. Pojawiły się gęste „lasy” z pionowo ustawionych nanorurek węglowych na trójwymiarowym rusztowaniu.
Wstępne badania przedstawiają obiecujące wyniki dla wydajności reakcji redukcji tlenu (ORR). „Dla reakcji wydzielania tlenu (OER) kontynuowane badania skupią się na optymalizacji wydajności elektrody poprzez pokrycie katalizatorami z wykorzystaniem ALD ” dodaje Schroeder. „Rozpoczęliśmy również badania zachowania katalizatora na innych podłożach z nanorurek węglowych. Dzięki temu posiadamy podstawową wiedzę na temat chemicznych katalizatorów opracowanych przez nasz zespół.”
Praca zespołu pokazuje, że połączenie możliwości ALD z unikalną strukturą 3-D katody może „znacząco zwiększyć wydajność jednego z najbardziej obiecujących procesów w technologii nowej generacji baterii litowych” zauważa Schroeder.
- sciencedaily.com/releases/2014/11/141111170136.htm
- AVS: Science & Technology of Materials, Interfaces, and Processing
Opracowała: Małgorzata Jabłońska
Korekta: Maciej Bielak-Wolanin
