Laser-skrevet uordnet grafen forbedrer natrium-ion-batterikapaciteten markant

Natriumionbatterier har potentiale til at erstatte de aktuelt anvendte lithium-ion-batterier ved at bruge de billigere (mindre end en tredivedel af omkostningerne ved lithium) og mere rigelige natriumressourcer. Dette har særligt potentiale i Saudi-Arabien, hvor natrium er let tilgængeligt og let ekstraheret som et biprodukt ved afsaltning af vand, en betydelig kilde til drikkevand i landet.

Alligevel normal grafit, det dominerende anodemateriale i lithium-ion-batterier, kæmper for at lagre eller interkalere natriumioner, fordi natriumioner er større end lithiumioner. Hårdt kulstof er en type uordnet grafit, der kan lagre flere natriumioner, dermed øge batterikapaciteten. Problemet er, at fremstilling af hårdt kul kræver temperaturer på næsten 1000°C.

KAUST-teamet ledet af Husam Alshareef har udviklet en proces ved hjælp af en simpel bænk-top-laser til at lave tredimensionelt hårdt kulstof direkte på kobbersamlere uden for høje temperaturer eller yderligere belægningstrin.

Holdet dannede et polymerark (ureaholdigt polyimid) på kobber og udsatte derefter dette ark for stærkt laserlys. Ved at indføre nitrogengas under processen, holdet kunne erstatte nogle af kulstofatomerne med nitrogenatomer, når et ekstremt højt nitrogenniveau (13 atomprocent), som er uopnåelig med andre teknikker. Dermed, den tredimensionelle grafen var mere ledende, havde udvidet atomafstand, og var direkte bundet til kobberstrømopsamlerne, eliminerer behovet for yderligere behandlingstrin.

"Vi ønskede at finde en måde at lave tredimensionelle hårde kulstoffer på uden at skulle opvarme vores prøver for meget. På denne måde kunne vi danne det hårde kulstof direkte på kobbersamlere, " sagde Fan Zhang, en ph.d. elev i Alshareefs gruppe.

KAUST-forskerne fremstillede natrium-ion-batterier ved hjælp af deres laserformede anodemateriale. Deres enhed udviste en coulombisk effektivitet, der overstiger de fleste rapporterede kulholdige anoder, såsom hårdt og blødt kulstof, og en natrium-ion-kapacitet bedre end de fleste tidligere carbon-anoder i natrium-ion-batterier.

"Jeg nød at lære af hvert medlem af Prof. Alshareefs gruppe, især Fan Zhang, hvem var min nærmeste mentor, " sagde Eman Alhajji, en KAUST Gifted Student Program (KGSP) praktikant og nuværende bachelorstuderende ved North Carolina State University, USA. Eman slutter sig til gruppen som ph.d. studerende næste efterår.

"Zhang og Alhajji satte et beundringsværdigt eksempel på produktivt samarbejde mellem KAUST-kandidatstuderende og besøgende KGSP-praktikanter. Deres arbejde åbner en ny retning inden for batteriforskning, som kan udvides til andre energilagringsteknologier, " sagde Alshareef.