Исследователи разработали графен

Исследователи из Университета штата Северная Каролина (штат Северная Каролина), Национального агентства по развитию науки и технологий и Сервисного центра NSTDA по характеристикам и испытаниям в Таиланде создали катод на основе графена в форме нитевидного волокна. Затем исследователи смогли использовать это волокно для создания прототипа цинк-ионной батареи, которая могла бы питать наручные часы.

Прототип батареи с нитевидным катодом. Изображение с сайта НГУ

Исследование, подтверждающее концепцию, является шагом вперед в разработке волоконной батареи, которую в конечном итоге можно будет интегрировать в одежду.

«В конечном счете, мы хотим сделать батарею в форме пряжи, чтобы мы могли поместить ее в настоящую одежду и, желательно, спрятать ее», — сказал соавтор исследования Вэй Гао, доцент кафедры текстильного машиностроения, химии и науки в штате Северная Каролина. «В этом исследовании мы создали катод в форме пряжи. Наши результаты оказались весьма многообещающими для такой короткой полосы волокна, и мы надеемся продолжить эту работу, чтобы улучшить производительность, безопасность и механические свойства наших конструкций».

Для создания катода исследователи использовали графен для изготовления ионно-цинковой батареи в форме нити. В своем исследовании ученые создали различные микрочастицы диоксида марганца разных форм и размеров. Затем они использовали процесс прядения из раствора, чтобы сформировать волокно из оксида графена с внедренными внутрь частицами диоксида марганца. Они изучили электрохимические и другие свойства волокон.

«Поскольку мы пытаемся создать ионно-цинковый аккумулятор в форме волокна, мы заботимся не только о его характеристиках, но и о механических свойствах — нам нужно, чтобы волокно было прочным, а также гибким», — сказал Гао.

Исследователи обнаружили, что форма материалов из оксида графена и диоксида марганца, которые они использовали для изготовления катода, повлияла на его электрохимическую функцию. В частности, они обнаружили более короткие, стержнеобразные компоненты диоксида марганца, гомогенно смешанные с графеном, что позволило исследователям создать волокно, которое могло бы работать в качестве функционального прототипа батареи. Для сравнения, они обнаружили, что когда диоксид марганца имел форму «морского ежа», волокно нельзя было использовать в функциональной батарее.

«Когда графен и диоксид марганца хорошо смешаны, вы можете использовать волокно для создания функциональной батареи», — сказал первый автор исследования, Накарин Субджалеарнди, бывший аспирант штата Северная Каролина. «Если диоксид марганца имел форму морского ежа, это означало, что катодная нить имела шероховатую поверхность и ее нельзя было использовать».

«Стержнеобразный диоксид марганца показал нам наилучшие результаты», — добавил Гао. «Эти частицы имитировали конфигурацию или геометрию волокна по сравнению с частицами в форме морского ежа, которые были круглыми со всевозможными выступающими краями. Они нарушили укладку нанолистов оксида графена внутри волокна».

Хотя производительность батареи была низкой, исследователям удалось использовать ее для питания наручных часов. Команда хочет продолжить работу над улучшением производительности конструкции.

«Это исследование показывает, что форма и размер добавок в волокне влияют на процесс формирования волокна из оксида графена», — сказал Гао. «Мы надеемся продолжать развивать эту систему; мы хотим, чтобы наш дизайн был сопоставим с коммерческой батареей».