Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования Московской области

«Университет «Дубна»

Dubna State University

Факультет естественных и инженерных наук

Кафедра химии, новых технологий и материалов

Реферат

по дисциплине «Неорганическая химия»

Синтез графеноподобных материалов для химических источников тока

Выполнила: студентка группы 1171

Атаманова Дарья

Научный руководитель: Иткис Д.М.

Консультант: Напольский Ф. С.

Дубна, 2017

Введение

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) имеют широкий спектр применения: от портативных устройств до электромобилей. Это обусловлено рядом их свойств: высокое рабочее напряжение, большая энергетическая плотность, стабильность циклов разряда/заряда, отсутствие «эффекта памяти». Некоторые из этих показателей можно варьировать, подбирая различные комбинации веществ, используемых в роли катода, анода и электролита. Одной из важных задач на данный момент является оптимизация структуры катода. Один из способов ее решить - варьировать проводящие добавки (ПД). В основном в роли ПД используют сажу, в силу дешевизны и доступности. Однако существуют и другие вещества, которые дают лучшую проводимость, например, графен и углеродные нанотрубки (УНТ). Но они реже используются в силу большей стоимости, которая обусловлена спецификой синтеза. [10] При сравнении показателей экспериментальных ячеек с добавлением УНТ и графена было подтверждено, что графен является лучшей проводящей добавкой. Поэтому цель данной работы - создание масштабируемой технологии синтеза качественного графена. Для достижения этой цели необходимо выполнить ряд задач:

1) Отработка методики синтеза графена в лабораторном химическом реакторе. графен фильтр ток аккумулятор

2) Проектирование и создание фильтра тангенциального потока и отработка методики очистки.

3) Исследование полученных образцов.

4) Создание электродов с использованием полученных образцов.

5) Сборка электрохимических ячеек и их тестирование.

В результате ожидается ускорение синтеза и улучшение показателей ячейки.

Литий-ионные аккумуляторы. Основные компоненты

Катод

Катод - электрод, на котором происходит реакция восстановления.

В настоящее время в роли катодных материалов используется ряд веществ:

• LiCoO2 - кобальтат лития (LCO). Катод из этого вещества имеет высокую удельную энергоемкость, но не способен давать большие токи и имеет короткий срок службы.

• LiMn2O4 (LMO). Катод из этого вещества может давать большой ток (до 15С) и обладает большим ресурсом, но имеет среднюю удельную энергоемкость и разлагается при температуре выше 50 ? С.

• LiFePO4 (LFP). Катод из этого вещества имеет самый большой ресурс (1500-7000 циклов), способен разряжаться и заряжаться очень большими токами, но имеет наименьшую удельную энергоемкость и сравнительно невысокую проводимость.

• LiNiMnCoO2 (NMC). Имеет низкое сопротивление, но и низкую удельную энергоемкость. [1], [11]

Анод

Анодом в литийионных аккумуляторах называется электрод, на котором происходит реакция окисления. В настоящее время предпочтение отдается углеродным материалам, из-за их стабильности и высокой интеркаляционной способности.

Наиболее популярными модификациями углерода, используемыми для изготовления анода, являются:

1) Графит

2) Графитизированный углерод

3) Неграфитизированный углерод [1]

Электролит

Электролиты - проводники второго рода. В силу этого они необходимы в аккумуляторах для переноса ионов от катода к аноду и обратно в процессе зарядка и разрядки аккумулятора соответственно.

Электролиты бывают жидкими, твердыми и полимерными.

В литий-ионных аккумуляторах в основном используются полимерные электролиты в силу таких преимуществ как дешевизна и безопасность.

Проводящие добавки.

Проводящие добавки - это вещества, которые добавляют в электроды для улучшения их структуры и качества.

Как было сказано ранее, на роль проводящей добавки подходят такие модификации углерода как сажа, УНТ и графен.

Графен является наиболее перспективной добавкой, так как имеет лучшую проводимость. Но синтез качественного графена возможен пока только в лаборатории в небольших количествах.

Графен и графеноподобные материалы

Свойства оксида графена. Оксид графена можно представить, как графен, с дефектами в виде кислородных групп. Оксид графена проявляет свойства диэлектрика. Его можно восстановить до хорошо проводящего состояния. Проводимость оксида графена может контролируемо меняться в широких пределах с изменением соотношения количества C:O. Однако полного восстановления ОГ до совершенного графена на сегодняшний день добиться не удается.

Впервые графен был получен механическим отщеплением слоев от высокоориентированного пиролитического графита [3], что позволило получить качественные образцы размером до 100 мкм с рекордно высокой подвижностью носителей заряда.

Для получения графена в настоящее время используют следующие способы: 1) осаждение из газовой фазы (рост графена при химическом осаждении углерода из таких углеводородов, как метан или ацетелен на подложки переходных металлов Cu, Ni и др.) [2]; 2) механическое отщепление [3], расслаивание в результате интеркаляции графита [4, 5] или при помощи ультразвука и 3) восстановление оксида графена до графена.

Получение оксида графена Методом Хаммерса

На первой стадии происходит взаимодействие 1.5 г нитрата натрия и 70 мл концентрированной серной кислоты (96%) с 2 г графита при постоянном перемешивании и охлаждении в бане со льдом в течение 30 мин. Это взаимодействие способствует увеличению расстояния между графитовыми слоями (интеркаляция концентрированных серной и азотной кислот в графит). Затем в полученную смесь при перемешивании в течение часа постепенно добавляют 9 г твердого перманганата калия. На данной стадии происходит окисление интеркалированного графита. Во время добавления перманганата, а также в течение последующих 2 ч смесь охлаждают на ледяной бане. Затем полученную вязкую смесь подвергают длительной выдержке при постоянном перемешивании в течение трех дней при комнатной температуре, что приводит к расслоению окисленного графита на отдельные одно-двухслойные частицы, называемые оксидом графена. Далее полученную смесь при перемешивании прикапывают к 250 мл H2SO4 (5%) в течение часа и оставляют перемешиваться после окончания прикапывания в течение 30 мин. Добавление 6г перекиси водорода (30%) в полученную смесь на четвертой стадии приводит к растворению образовавшегося во время окисления графита осадка MnO2.

Многократное (до 40 раз) промывание дистиллированной водой и центрифугирование необходимо для полного удаления побочных продуктов и непрореагировавших исходных веществ. [12]

Восстановление оксида графена и изменение электропроводности в зависимости от соотношения C:O

Содержание кислорода в ОГ уменьшают с помощью его обработки в восстановительных средах, таких как: гидразин, боргидрид натрия, аскорбиновая кислота, отжиг в вакууме или среде Ar/H2 при 1000°С. В зависимости от метода восстановления меняется соотношение C:O и электропроводность ОГ после восстановления (таблица 1). Как видно из таблицы, увеличение соотношения С/О приводит к увеличению проводимости. [2]

Таблица 1. Соотношение C:O и электропроводность оксида графена (ОГ) после его обработки в восстановительной среде.

Методы очистки

Диализ. Этот способ используется для фильтрации коллоидных растворов и субстанций высокомолекулярных веществ. В данном способе используется полупроницаемая мембрана. Процесс диализа основан на процессах осмоса и диффузии, что объясняет способы его ускорения: увеличение площади поверхности мембраны и повышение температуры. Простейший диализатор представляет собой мешочек из полупроницаемого материала, в котором находится диализируемая жидкость. Мешочек погружают в растворитель (например, в воду). Постепенно концентрация диализирующего вещества в диализируемой жидкости и в растворителе становится одинаковой. Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Однако этот способ занимает много времени и является исключительно лабораторным.

Центрифугирование. Подходит для отделения осадка от раствора. Основан на разности плотностей и масс веществ. Способ является лабораторным.

Декантация. Механическое отделение твёрдой фазы дисперсной системы от жидкой путём разделения жидкости и осадка. Не обеспечивает достаточной степени очистки. Этот способ может быть использован перед центрифугированием с целью уменьшения количества циклов.

Сокращения

ЛИА - литий-ионный аккумулятор

ОГ - оксид графена

ВОГ - восстановленный оксид графена

Список литературы

1. Lithium Ion Rechargeable Batteries Technical Handbook URL: http://cdn.sparkfun.com/datasheets/Prototyping/Lithiu.. (Дата обращения: 10.12.2017)

2. Капитанова О.О. Наноструктуры с резистивным переключением на основе оксида графена. Диссертация на соискание ученой степени. Москва. МГУ им. Ломоносова. 2014. 134с.

3. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V.[и др.] Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. 2004. T. 306, № 5696. C. 666-669.

4. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. Intercalation compounds of graphite // Advances in Physics. 2002. T. 51, № 1. C. 1-186.

5. Shioyama H. Cleavage of graphite to graphene // Journal of Materials Science Letters. 2001. T. 20, № 6. C. 499-500.

6. Stankovich S., Dikin D.A., Piner R.D. [и др.] Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide // Carbon. 2007. T. 45, № 7. C. 1558-1565.

7. Fern ndez-Merino M.J., Guardia L., Paredes J.I. [и др.] Vitamin C Is an Ideal Substitute for Hydrazine in the Reduction of Graphene Oxide Suspensions // The Journal of Physical Chemistry C. 2010. T. 114, № 14. C. 6426-6432.

8. Yang D., Velamakanni A., Bozoklu G. [и др.] Chemical analysis of graphene oxide films after heat and chemical treatments by X-ray photoelectron and Micro-Raman spectroscopy // Carbon. 2009. T. 47, № 1. C. 145-152.

9. К.Брахт, «SartoriusStedimBiotech», Германия - Франция Е.Е.Каталевский, С.П. Савельев, ЗАО «Владисарт», Россияс. 47-51

10. Wang Guoping [и др.] The effect of different kinds of nano-carbon conductive additives in lithium-ion batteries on the resistance and electrochemical behavior of the LiCoO2 composite cathodes // Solid State Ionics 179 (2008) 263-268

11. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa //Lithium-Ion Batteries Science and Technologies 343-412

12. Hirata M., Gotou T., Horiuchi S. [и др.] Thin-film particles of graphite oxide 1:: High-yield synthesis and flexibility of the particles // Carbon. 2004. T. 42, № 14. C. 2929-2937.

Размещено на Allbest.ru