Grafeno abre portas para baterias sustentáveis ​​de íons de sódio

Embora os íons de lítio funcionem bem para armazenamento de energia, o lítio é um metal caro com preocupações quanto ao seu suprimento de longo prazo e questões ambientais.

O sódio, por outro lado, é um metal abundante e de baixo custo, sendo o principal ingrediente da água do mar (e do sal de cozinha). Isso torna as baterias de íons de sódio uma alternativa interessante e sustentável para reduzir nossa necessidade de matérias-primas críticas. No entanto, um grande desafio é aumentar a capacidade.

No nível atual de desempenho, as baterias de íons de sódio não podem competir com as células de íons de lítio. Um fator limitante é o grafite, que é composto de camadas empilhadas de grafeno e usado como ânodo nas baterias de íon-lítio atuais.

Os íons se intercalam no grafite, o que significa que eles podem entrar e sair das camadas de grafeno e serem armazenados para uso de energia. Os íons de sódio são maiores que os íons de lítio e interagem de maneira diferente. Portanto, eles não podem ser armazenados de forma eficiente na estrutura do grafite. Mas os pesquisadores de Chalmers criaram uma nova maneira de resolver isso.

Jinhua Sun, pesquisador do Departamento de Ciência Industrial e de Materiais da Chalmers e primeiro autor do artigo científico, publicado na Science Advances.

Adicionamos um espaçador de moléculas em um lado da camada de grafeno.

“Quando as camadas são empilhadas juntas, a molécula cria um espaço maior entre as folhas de grafeno e fornece um ponto de interação, o que leva a uma capacidade significativamente maior,”

Dez vezes a capacidade de energia do grafite padrão

Normalmente, a capacidade de intercalação de sódio no grafite padrão é de cerca de 35 miliamperes horas por grama (mAh g-1). Isso é menos de um décimo da capacidade de intercalação de íons de lítio no grafite. Com o novo grafeno, a capacidade específica para íons de sódio é de 332 miliamperes-hora por grama – aproximando-se do valor do lítio no grafite. Os resultados também mostraram reversibilidade total e alta estabilidade cíclica.

Professor Aleksandar Matic no Departamento de Física em Chalmers.

Foi realmente emocionante quando observamos a intercalação de íons de sódio com uma capacidade tão alta.

“A pesquisa ainda está em estágio inicial, mas os resultados são muito promissores. Isso mostra que é possível projetar camadas de grafeno em uma estrutura ordenada que se adapte aos íons de sódio, tornando-a comparável ao grafite,”

Grafeno Janus “Divino” abre portas para baterias sustentáveis

O estudo foi iniciado por Vincenzo Palermo em seu cargo anterior como vice-diretor do Graphene Flagship, um projeto financiado pela Comissão Europeia e coordenado pela Chalmers University of Technology.

O novo grafeno tem funcionalização química assimétrica em faces opostas e, portanto, é frequentemente chamado de Janus grafene, em homenagem ao antigo deus romano de duas faces, Janus – o deus dos novos começos, associado a portas e portões e aos primeiros passos de uma jornada. Nesse caso, o grafeno Janus se correlaciona bem com a mitologia romana, potencialmente abrindo portas para baterias de íons de sódio de alta capacidade.

Vincenzo Palermo, Professor Associado do Departamento de Ciência Industrial e de Materiais da Chalmers.