Einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jong-Beom Baek und seinem Team an der School of Energy and Chemical Engineering der UNIST ist ein bedeutender Durchbruch in der Batterietechnologie gelungen. Sie haben eine innovative Methode entwickelt, die die sichere Synthese fluorierter Kohlenstoffmaterialien (FCMs) unter Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) und Graphit ermöglicht.
Fluorierte Kohlenstoffmaterialien haben aufgrund ihrer außergewöhnlichen Stabilität, die auf die starke CF-Bindung zurückzuführen ist – die stärkste unter den Kohlenstoff-Einfachbindungen – große Aufmerksamkeit erregt. Bei herkömmlichen Fluorierungsverfahren werden jedoch hochgiftige Reagenzien wie Flusssäure (HF) eingesetzt, sodass sie für praktische Anwendungen ungeeignet sind.
In dieser Studie stellte das Forschungsteam einen unkomplizierten und relativ sicheren Ansatz für die skalierbare Synthese von FCMs durch mechanochemische Depolymerisation von PTFE – einer häufig in Alltagsgegenständen vorkommenden Verbindung – und Fragmentierung von Graphit vor. Durch den Einsatz von Kugelmühlentechniken, die sowohl mechanische als auch chemische Reaktionen auslösen, gelang es ihnen, FCMs mit deutlich verbesserter Leistung im Vergleich zu Graphit herzustellen.
Die Verwendung gefährlicher Verbindungen wie Fluorgas oder HF bei der herkömmlichen Kohlenstofffluoridproduktion wirft Sicherheitsbedenken auf und erhöht die Herstellungskosten, die mit strengen Sicherheitsmaßnahmen verbunden sind. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entwickelte das Team von Professor Baek eine Festphasenfluorierungsmethode unter Verwendung von PTFE – einem inerten Polymer, das für seine Stabilität unter atmosphärischen Bedingungen und seine Unbedenklichkeit bei oraler Einnahme bekannt ist.
Durch Experimente wurde beobachtet, dass die Einwirkung von höherer Energie auf PTFE, als es aushalten kann, zum Bruch der Molekülkette und zur Bildung von Radikalen führt und so eine Reaktion auslöst, die zur Bildung von Kohlenstofffluoridkomplexen führt. Diese Komplexe haften dann bei nachfolgenden Prozessen an der Oberfläche und den Kanten der Graphitpartikel.
Die resultierenden FCMs zeigten im Vergleich zu herkömmlichen Graphitanoden eine überlegene Speicherkapazität und elektrochemische Stabilität. Bei einer niedrigen Laderate von 50 mA/g zeigten die FCMs eine 2,5-mal höhere Speicherkapazität (951,6 mAh/g) als Graphit, während ihre Speicherkapazität bei einer hohen Laderate von 10.000 mA/g zehnmal höher war (329 mAh/g). G). Bemerkenswerterweise behielten die FCMs selbst nach mehr als 1.000 Lade-/Entladezyklen mit einer Rate von 2.000 mA/g 76,6 % ihrer ursprünglichen Kapazität bei, verglichen mit nur 43,8 % bei Graphit.
„Diese Studie unterstreicht nicht nur sichere Fluorierungsmethoden, sondern auch das breitere Potenzial von Festphasenreaktionen“, erklärte Boo-Jae Jang, Forscher an der School of Energy and Chemical Engineering der UNIST.
„Diese Forschung veranlasst uns, Materialien, die häufig in unserer Umgebung vorkommen, zu überdenken“, fügte Professor Baek hinzu. Er betonte außerdem die Bedeutung des Verständnisses von Festphasenreaktionen, da dies Türen für die Entwicklung neuartiger Materialien öffnet, die bisher unerforscht waren.
Die Studienergebnisse wurden in veröffentlicht Fortschrittliche Funktionsmaterialien.
Mehr Informationen:
Boo-Jae Jang et al., Direkte Synthese fluorierter Kohlenstoffmaterialien über eine mechanisch-chemische Festkörperreaktion zwischen Graphit und PTFE, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2023). DOI: 10.1002/adfm.202306426