Graphen öffnet Türen für nachhaltige Natriumionenbatterien

Obwohl sich Lithiumionen gut zur Energiespeicherung eignen, ist Lithium ein teures Metall, bei dem Bedenken hinsichtlich seiner langfristigen Versorgung und Umweltproblemen bestehen.

Natrium hingegen ist ein reichlich vorhandenes, kostengünstiges Metall und der Hauptbestandteil von Meerwasser (und im Küchensalz). Dies macht Natrium-Ionen-Batterien zu einer interessanten und nachhaltigen Alternative, um unseren Bedarf an kritischen Rohstoffen zu reduzieren. Eine große Herausforderung besteht jedoch darin, die Kapazität zu erhöhen.

Auf dem aktuellen Leistungsniveau können Natrium-Ionen-Batterien nicht mit Lithium-Ionen-Zellen mithalten. Ein limitierender Faktor ist Graphit, der aus gestapelten Graphenschichten besteht und als Anode in heutigen Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Die Ionen interkalieren im Graphit, was bedeutet, dass sie sich in die Graphenschichten hinein und aus ihnen heraus bewegen und für die Energienutzung gespeichert werden können. Natriumionen sind größer als Lithiumionen und interagieren anders. Daher können sie nicht effizient in der Graphitstruktur gespeichert werden. Doch die Chalmers-Forscher haben einen neuen Weg gefunden, dieses Problem zu lösen.

Jinhua Sun, Forscher am Department of Industrial and Materials Science in Chalmers und Erstautor der wissenschaftlichen Arbeit, veröffentlicht in Science Advances.

Wir haben auf einer Seite der Graphenschicht einen Molekülabstandshalter hinzugefügt.

„Wenn die Schichten übereinander gestapelt werden, schafft das Molekül einen größeren Raum zwischen den Graphenschichten und stellt einen Wechselwirkungspunkt bereit, was zu einer deutlich höheren Kapazität führt.“

Zehnmal höhere Energiekapazität als Standardgraphit

Typischerweise beträgt die Kapazität der Natriumeinlagerung in Standardgraphit etwa 35 Milliamperestunden pro Gramm (mAh g-1). Dies ist weniger als ein Zehntel der Kapazität für die Lithium-Ionen-Interkalation in Graphit. Beim neuartigen Graphen beträgt die spezifische Kapazität für Natriumionen 332 Milliamperestunden pro Gramm – und nähert sich damit dem Wert für Lithium in Graphit an. Die Ergebnisse zeigten außerdem volle Reversibilität und hohe Zyklenstabilität.

Professor Aleksandar Matic vom Fachbereich Physik in Chalmers.

Es war wirklich aufregend, als wir die Natriumionen-Interkalation mit einer so hohen Kapazität beobachteten.

„Die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium, aber die Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Dies zeigt, dass es möglich ist, Graphenschichten in einer geordneten Struktur zu entwerfen, die für Natriumionen geeignet ist und sie mit Graphit vergleichbar macht.“

„Göttliches“ Janus-Graphen öffnet Türen zu nachhaltigen Batterien

Die Studie wurde von Vincenzo Palermo in seiner vorherigen Rolle als Vizedirektor des Graphene Flagship initiiert, einem von der Europäischen Kommission finanzierten Projekt, das von der Chalmers University of Technology koordiniert wird.

Das neuartige Graphen weist eine asymmetrische chemische Funktionalisierung auf gegenüberliegenden Seiten auf und wird daher oft als Janus-Graphen bezeichnet, nach dem zweigesichtigen antiken römischen Gott Janus – dem Gott des Neuanfangs, der mit Türen und Toren und den ersten Schritten einer Reise verbunden ist. In diesem Fall korreliert das Janus-Graphen gut mit der römischen Mythologie und öffnet möglicherweise Türen für Natriumionenbatterien mit hoher Kapazität.

Vincenzo Palermo, außerordentlicher Professor an der Abteilung für Industrie- und Materialwissenschaften in Chalmers.