Очень часто технологии, используемые в лабораторной практике для созданию опытных образцов материалов и устройств, малоприменимы для массового производства. В частности, для создания электронных устройств (OLED, полевые транзисторы, литиевые батареи) в промышленных масштабах одной из наиболее перспективных является технология печати различных слоев. Однако для применения подобной технологии необходимо использовать растворы соединений, наносимых при печати. В свою очередь, это требует модификации применяемых прекурсоров, что сказывается на структуре и свойствах конечных материалов.

В качестве примера можно привести материалы электрода литиевых батарей. В частности, много слов сказано о перспективности графена при использовании в качестве материала электрода литиевых батарей, благодаря высокой проводимости, площади поверхности и широкого «электрохимического окна». Одним из методов получения графена является восстановление так называемого оксида графена (GO). Для стабилизации образуемой суспензии графена применяются различные полимеры (например, поли(4-стиренсульфонат), сокращенно PSS).

Рис. 1. Сравнение первого цикла разрядки для батарей с различными электродами. а) электрод нанесен из раствора графена, обработанного щелочью, c добавлением наночастиц диоксида титана b) раствор, состоящий из графена, наночастиц TiO2 и полианилина c-d) в суспензиях нейтральный полианилин заменен на анионные полимеры.

Международный коллектив исследователей экспериментировал с суспезиями графена различного состава. В частности они добавляли к суспензии восстановленного графена наночастицы TiO₂, известного своей высокой удельной емкостью (1307 мАч·см-3). Синергизм достаточно высокой удельной емкости TiO₂ и высокой проводимости графена привел к двукратному увеличению удельной емкости (до 87 мАч·см-3) литиевой батареи при высоких скоростях зарядки по сравнению с чистым TiO₂.

Рис. 2. Кривые зарядки/разрядки для батарей с электродом оптимального состава (графен+PSS+TiO2+LiClO4). а,а') первый цикл b,b') второй цикл c,c') десятый цикл. Плотность тока зарядки/разрядки 100 мА/г.

Авторы статьи сравнили поведение батарей с различными материалами катода при разрядке. Было установлено, что наилучшие результаты достигаются при совместном использовании анионных полимеров и наночастиц диоксида титана, а именно наблюдается увеличенное плато в конце процесса разрядки.

Рис. 3. Зависимость удельной емкости батареи в зависимости от цикла зарядки / разрядки.

Раствор наиболее оптимального состава авторам статьи удалось достичь после добавления перхлората лития к смеси графена, модифицированного PSS, и диоксида титана. Полученная батарея продемонстрировала высокую емкость (582 мАч·см-3 после первой зарядки) и приемлимую стабильность.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Di Wei, Piers Andrew, Huafeng Yang, Yuanyuan Jiang, Fenghua Li, Changsheng Shan, Weidong Ruan, Dongxue Han, Li Niu, Chris Bower, Tapani Ryhänen, Markku Rouvala, Gehan A. J. Amaratunga and Ari Ivaska Flexible solid state lithium batteries based on graphene inks – J. Mater. Chem. – 2011. – 21. – P. 9762–9767; DOI: 10.1039/C1JM10826C;First published on the web 03 Jun 2011.