Исследование и производство графена
 
Институт Графена

ОПЫТ И УСПЕХИ НАШИХ ПАРТНЕРОВ

Курский Завод Композитных Материалов

Завод производит композитные изделия методом пултрузии на эпоксидном компаунде (смола + отвердитель ИЗОМГФТА).

Изделия – стержни полукруглой формы шириной от 10 до 15 мм, высотой 5-8 мм, производятся путем прохождения стеклоровинга через ванну пропитки с эпоксидным связующим и последующим формированием в фильере при температуре 150-190 градусов.

Стержни проходят обязательные испытания на статистический изгиб. В текущих технологических параметрах эти требования выполняются на минимальных значениях, при этом отсутствует стабильный результат. Также имеется запрос на стойкость данных стержней к изгибу после предварительного нагрева до 140 градусов. По этой причине ведется поиск технологических добавок в используемое связующее, которые смогут позволить увеличить прочность стержней.

Первые результаты применения графена

Изготовлена первая пробная партия композитных стержней с использованием графена.

На первом этапе экспериментального применения графеновой добавки использовалась паста на водной основе с содержанием графена 15%. 35 г пасты растворили в 1 кг отвердителя ИЗОМТГФА для получения концентрата, однако спустя 30-40 минут началась экзотермическая реакция, и через 3 часа концентрат затвердел. Использование раствора стало невозможным. Эксперименты по добавлению графена в ИЗОМТГФА больше не проводились.

На втором этапе использовался графеновый порошок 99%, который растворили в эпоксидном пластификаторе ДЭГ-1. Реакции не произошло. После этого на протяжении трех суток производились стержни с добавлением графена в количестве 0,02% от массы эпоксидного компаунда.

На третьем этапе использовалась паста на водной основе с содержанием графена 50%, также растворенная в пластификаторе ДЭГ-1. И еще на протяжении одних суток производились стержни с добавлением графена в количестве 0,02% от массы эпоксидного компаунда.

Первые выводы

Графеновый порошок лучше растворяется в ДЭГ-1, частицы порошка не оседают на дне ванны, что способствует более равномерному распределению частиц в стержне. После проведения предварительных испытаний был зафиксирован рост физико-механических свойств стержней (стойкость к разрушению на изгиб). Ранее требовалось проводить дополнительную термообработку стержней, чтобы получить необходимые показатели.

Для достижения более точных и стабильных результатов необходимо продолжить эксперименты – изготовить образцы с разными концентрациями графена

Зарубежный опыт

Бетон, усиленный графеном

С описанием запатентованной технологии усиления бетона путем внесения добавок графена можно ознакомиться по ссылке: https://patents.google.com/patent/WO2019175564A1/en

Описан железобетон на основе цементирующего материала с равномерно распределенным графеном. Также описан способ производства бетона, включающий этапы формирования практически однородной суспензии графена на водной основе и последующего смешивания полученной суспензии с цементирующим веществом

Тестирование отрицательного электрода на основе графена для литий-ионного аккумулятора

Электрохимические характеристики синтезированных образца графена проводили методом хроноамперометрии. Электрохимические ячейки содержали три электрода: рабочий – графен, вспомогательный электрод и электрод сравнения. Рабочий электрод изготавливали по стандартной намазной технологии. Вспомогательный электрод и электрод сравнения изготавливали из лития, накатанных на подложку из никелевой фольги. Все электроды были разделены сепаратором из полипропилена (НПО Уфим, Россия). В качестве электролита использовали 1 М LiPF6 в смеси этиленкарбонат-диэтилкарбонат-диметилкарбонат (1:1:1). Содержание воды в электролитах, определенное методом кулонометрического титрования по Фишеру (917 Coulometer, Metrohm), не превышало 15 ppm. Все операции по сборке ячеек и заливке их электролитом проводили в перчаточном боксе с атмосферой аргона (Spektroskopicheskie Sistemy, Russia). Содержание воды и кислорода в боксе не превышало 1 ppm.

Гальваностатическое циклирование электрохимических ячеек проводили с помощью гальваностата АЗРИВК-50-10В (ОАО «Бустер», Россия). Плотность тока при гальваностатическом циклировании составляли 37 мА/г (С/10). Диапазон потенциалов циклирования составлял от 0.01 до 2.0 В.

Зарядно-разрядные кривые графена представлены на рис. 1. Кривые характерны для графитизированного углерода при обратимом внедрении лития.




Рис. 1. Зарядно-разрядные кривые графена при внедрении/экстракции лития. Ток 37 мА/г (С/10)

На рис. 2 представлено изменение катодной (внедрение лития) и анодной (экстракция лития) емкостей.

Как видно из рис. 2, начальная обратимая емкость графена составляет около 320 мАч/г, что близко к теоретической емкости графита при обратимом внедрении лития. После второго цикла наблюдается снижение обратимой емкости, что, скорее всего, связано с большой долей необратимой емкости на первых двух циклах. Кулоновская эффективность на первом и втором циклах составила 0.39 и 0.53, соответственно.




Рис. 2. Изменение катодной (синие символы) и анодной (красные символы) емкостей графена при циклировании током 37 мА/г (С/10).

На рис. 3 и 4 представлены результаты тестирования электродов из исходного графита.




Рис. 3. Зарядно-разрядные кривые исходного графита при внедрении/экстракции лития. Ток 37 мА/г (С/10).



Рис. 4. Изменение катодной (синие символы) и анодной (красные символы) емкостей исходного графита при циклировании током 37 мА/г (С/10).

На рис. 5 представлено сравнение электрохимического поведения электродов из исходного графита и графена. Можно сделать вывод, что исходный графит характеризуется невысокой разрядной емкостью (около 52 % от теоретического значения), но хорошей стабильностью при циклировании. Начальная разрядная емкость графена на 70% превышает разрядную емкость исходного графита, однако электроды из графена сильно деградируют при циклирвании.

Рекомендации: необходим подбор электролита для снижения необратимой емкости и деградации при циклировании.




Рис. 5. Изменение разрядной емкости исходного графита и графена при циклировании током 37 мА/г (С/10).