Forschung -

Druck von Energiespeichern mit Graphentinte

Forscher haben eine Tinte aus Graphen-Nanoblättern entwickelt und gezeigt, dass sich die Tinte zum Drucken von 3D-Strukturen verwenden lässt. Da die Graphentinte kostengünstig und umweltfreundlich in Serie hergestellt werden kann, ebnen die neuen Verfahren den Weg für die Entwicklung einer Vielzahl von druckbaren Energiespeichern.

Die Forscher, unter der Leitung von Jingyu Sun und Zhongfan Liu von der Soochow University und dem Beijing Graphene Institute sowie Ya-yun Li von der Shenzhen University veröffentlichten ihren Forschungsbericht in "ACS Nano".

"Unsere Arbeit realisiert die skalierbare und grüne Synthese von stickstoffdotierten Graphen-Nanoblättern auf einer Salzvorlage durch direkte chemische Dampfabscheidung", sagte Sun gegenüber Phys.org. "Dadurch können wir die so gewonnenen Tinten im Bereich der druckbaren Energiespeicherung weiter erforschen."

Wie die Wissenschaftler erklärten, ist ein wesentliches Ziel der Graphenforschung die Serienproduktion von Graphen mit hoher Qualität und zu niedrigen Kosten.

Energiespeicheranwendungen erfordern typischerweise Graphen in Pulverform, aber bisher haben aktuelle Produktionsmethoden zu Pulvern mit einer großen Anzahl von Strukturfehlern und chemischen Verunreinigungen sowie ungleichmäßiger Schichtdicke geführt. Dies hat die Herstellung hochwertiger Graphentinten erschwert.

In dem neuen Bericht haben die Forscher eine neue Methode zur Produktion von Graphentinten erläutert, die diese Herausforderungen überwindet. Das Verfahren beinhaltet das Züchten von stickstoffdotierten Graphen-Nanoblättern auf NaCl-Kristallen unter Verwendung einer direkten chemischen Dampfabscheidung, bei der molekulare Fragmente von Stickstoff und Kohlenstoff auf der Oberfläche der NaCl-Kristalle diffundieren.

Die Forscher wählten NaCl wegen seines natürlichen und reichlichen Vorkommens und niedrigen Kosten sowie seiner Wasserlöslichkeit. Um das NaCl zu entfernen, werden die beschichteten Kristalle in Wasser getaucht, wodurch sich das NaCl auflöst und reine stickstoffdotierte Graphenblöcke hinterlässt.

Im letzten Schritt werden die Blöcke durch eine Ultraschallbehandlung in 2D-Nanoblätter mit einer Dicke von jeweils etwa. 5-7 Grafitschichten umgeformt.

Die daraus resultierenden stickstoffdotierten Graphen-Nanoblätter weisen nur wenige Fehler auf und haben eine ideale Größe (ca. 5 µm Seitenlänge) für den Druck, da größere Flocken die Düsen blockieren können.

Um die Wirksamkeit der Nanoblätter zu demonstrieren, druckten die Forscher eine Vielzahl von 3D-Strukturen mit Tinten auf Basis der Graphenblätter.

Unter anderem verwendeten die Forscher die Tinte als leitfähiges Additiv für ein Elektrodenmaterial (Vanadinnitrid) und druckten mit der Verbundtinte flexible Elektroden für Superkondensatoren mit hoher Leistungsdichte und guter Zyklenfestigkeit.

In einer zweiten Demonstration stellten die Forscher eine Verbundtinte aus den Graphenblättern und einem Bindematerial (Polypropylen) für den Druck von Zwischenschichten für Li-S-Akkus her.

Im Vergleich zu Batterien mit Separatoren, die nur aus herkömmlichen Material hergestellt wurden, zeigten die aus dem Verbundmaterial hergestellten Batterien eine verbesserte Leitfähigkeit, was zu einer erhöhten Performance der Batterieleistung führte.

"In Zukunft wollen wir die direkte chemische Gasphasenabscheidung für die Serienproduktion von hochwertigen Graphenpulvern für neue druckbare Energiespeicheranwendungen nutzen", sagte Sun.

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