Графен открывает двери для экологичных натрий-ионных аккумуляторов

Несмотря на то, что ионы лития хорошо подходят для хранения энергии, литий является дорогим металлом, что вызывает опасения по поводу его долгосрочных поставок и экологических проблем.

Натрий, с другой стороны, является широко распространенным дешевым металлом и основным ингредиентом морской воды (и кухонной соли). Это делает натрий-ионные батареи интересной и устойчивой альтернативой для снижения нашей потребности в критически важном сырье. Однако одной из основных задач является увеличение пропускной способности.

При нынешнем уровне производительности натрий-ионные аккумуляторы не могут конкурировать с литий-ионными элементами. Одним из ограничивающих факторов является графит, который состоит из слоев графена и используется в качестве анода в современных литий-ионных батареях.

Ионы внедряются в графит, что означает, что они могут перемещаться в слои графена и выходить из них и накапливаться для использования энергии. Ионы натрия крупнее ионов лития и взаимодействуют иначе. Следовательно, они не могут быть эффективно сохранены в графитовой структуре. Но исследователи Чалмерса придумали новый способ решить эту проблему.

Цзиньхуа Сунь, научный сотрудник Департамента промышленности и материаловедения в Чалмерсе и первый автор научной статьи, опубликованной в Science Advances.

Мы добавили молекулярную прокладку на одну сторону графенового слоя.

«Когда слои сложены вместе, молекула создает большее пространство между листами графена и обеспечивает точку взаимодействия, что приводит к значительно более высокой емкости».

Энергоемкость в десять раз выше, чем у стандартного графита.

Как правило, емкость интеркаляции натрия в стандартный графит составляет около 35 миллиампер-часов на грамм (мАч·г-1). Это составляет менее одной десятой от возможности внедрения ионов лития в графит. У нового графена удельная емкость для ионов натрия составляет 332 миллиампер-часа на грамм, что приближается к значению для лития в графите. Результаты также показали полную обратимость и высокую циклическую стабильность.

Профессор Александр Матич на физическом факультете Чалмерса.

Было очень волнительно, когда мы наблюдали интеркаляцию ионов натрия с такой высокой емкостью.

«Исследование все еще находится на ранней стадии, но результаты очень многообещающие. Это показывает, что можно спроектировать слои графена в упорядоченной структуре, которая подходит для ионов натрия, что делает его сравнимым с графитом».

«Божественный» графен Janus открывает двери для экологичных батарей

Исследование было инициировано Винченцо Палермо в его предыдущей должности вице-директора Graphene Flagship, проекта, финансируемого Европейской комиссией и координируемого Технологическим университетом Чалмерса.

Новый графен имеет асимметричную химическую функционализацию на противоположных гранях, поэтому его часто называют графеном Янус, в честь двуликого древнеримского бога Януса — бога новых начинаний, связанного с дверями и воротами и первыми шагами пути. В этом случае графен Януса хорошо коррелирует с римской мифологией, потенциально открывая двери для натрий-ионных батарей большой емкости.

Винченцо Палермо, аффилированный профессор кафедры промышленных и материаловедения Чалмерского университета.