Janus grafen åbner døre til bæredygtige natrium-ion-batterier

I jagten på bæredygtig energilagring, forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, præsentere et nyt koncept til fremstilling af højtydende elektrodematerialer til natriumbatterier. Den er baseret på en ny type grafen til opbevaring af en af ​​verdens mest almindelige og billige metalioner - natrium. Resultaterne viser, at kapaciteten kan matche nutidens lithium-ion-batterier.

Selvom lithium-ioner fungerer godt til energilagring, lithium er et dyrt metal med bekymringer vedrørende dets langsigtede forsyning og miljømæssige problemer.

Natrium, på den anden side, er et rigeligt lavprismetal, og en hovedingrediens i havvand (og i køkkensalt). Dette gør natrium-ion-batterier til et interessant og bæredygtigt alternativ til at reducere vores behov for kritiske råmaterialer. Imidlertid, en stor udfordring er at øge kapaciteten.

På det nuværende præstationsniveau, natrium-ion-batterier kan ikke konkurrere med lithium-ion-celler. En begrænsende faktor er grafitten, som er sammensat af stablede lag af grafen, og bruges som anode i nutidens lithium-ion-batterier.

Ionerne interkalerer i grafitten, hvilket betyder, at de kan bevæge sig ind og ud af grafenlagene og opbevares til energiforbrug. Natriumioner er større end lithiumioner og interagerer anderledes. Derfor, de kan ikke opbevares effektivt i grafitstrukturen. Men Chalmers-forskerne har fundet på en ny måde at løse dette på.

"Vi har tilføjet en molekyle spacer på den ene side af grafenlaget. Når lagene er stablet sammen, molekylet skaber større mellemrum mellem grafenplader og giver et interaktionspunkt, hvilket fører til en markant højere kapacitet, " siger forsker Jinhua Sun ved Institut for Industri- og Materialevidenskab på Chalmers og førsteforfatter til den videnskabelige artikel, udgivet i Videnskabens fremskridt.

Ti gange energikapaciteten af ​​standardgrafit

Typisk, kapaciteten af ​​natrium intercalation i standard grafit er omkring 35 milliampere timer pr. gram (mA h g ^-1 ). Dette er mindre end en tiendedel af kapaciteten til lithium-ion intercalation i grafit. Med den nye grafen er den specifikke kapacitet for natriumioner 332 milliampere timer pr. gram - nærmer sig værdien for lithium i grafit. Resultaterne viste også fuld reversibilitet og høj cykelstabilitet.

"Det var virkelig spændende, da vi observerede natrium-ion-interkalationen med så høj kapacitet. Forskningen er stadig på et tidligt stadium, men resultaterne er meget lovende. Dette viser, at det er muligt at designe grafenlag i en ordnet struktur, der passer til natriumioner, gør det sammenligneligt med grafit, " siger professor Aleksandar Matic ved Institut for Fysik på Chalmers.

"Divine" Janus-grafen åbner døre til bæredygtige batterier

Undersøgelsen blev initieret af Vincenzo Palermo i hans tidligere rolle som vicedirektør for grafenflagskibet, et EU-Kommissionsfinansieret projekt koordineret af Chalmers Teknologiske Universitet.

Den nye grafen har asymmetrisk kemisk funktionalisering på modsatte flader og kaldes derfor ofte Janus-grafen, efter den tosidede antikke romerske gud Janus – guden for nye begyndelser, forbundet med døre og porte, og de første skridt på en rejse. I dette tilfælde korrelerer Janus graphene godt med den romerske mytologi, potentielt åbne døre til natrium-ion-batterier med høj kapacitet.

"Vores Janus-materiale er stadig langt fra industrielle anvendelser, men de nye resultater viser, at vi kan konstruere de ultratynde grafenplader – og det lille mellemrum mellem dem – til energilagring med høj kapacitet. Vi er meget glade for at kunne præsentere et koncept med omkostningseffektive, rigelige og bæredygtige metaller, " siger Vincenzo Palermo, Tilknyttet professor ved Institut for Industri- og Materialevidenskab på Chalmers.

Mere om materialet:Janus grafen med en unik struktur

Materialet brugt i undersøgelsen har en unik kunstig nanostruktur. Den øvre flade af hvert grafenark har et molekyle, der fungerer som både spacer og aktivt interaktionssted for natriumionerne. Hvert molekyle mellem to stablede grafenark er forbundet med en kovalent binding til det nederste grafenark og interagerer gennem elektrostatiske interaktioner med det øvre grafenark. Grafenlagene har også ensartet porestørrelse, kontrollerbar funktionaliseringstæthed, og få kanter.