Natriumjonbatterier har potential att ersätta de för närvarande använda litiumjonbatterierna genom att använda den billigare (mindre än en trettiondel av kostnaden för litium) och rikligare natriumresurs. Detta har särskild potential i Saudiarabien, där natrium är lättillgängligt och lätt extraherat som en biprodukt av vattenavsaltning, en betydande källa till dricksvatten i landet.

Men normal grafit, det dominerande anodmaterialet i litiumjonbatterier, kämpar för att lagra eller interkalera natriumjoner eftersom natriumjoner är större än litiumjoner. Hårt kol är en typ av oordnad grafit som kan lagra mer natriumjoner, vilket ökar batterikapaciteten. Problemet är att tillverkning av hårt kol kräver temperaturer på nästan 1000°C.

KAUST-teamet under ledning av Husam Alshareef har utvecklat en process med en enkel bänklaser för att göra tredimensionellt hårt kol direkt på kopparuppsamlare utan för höga temperaturer eller ytterligare beläggningssteg.

Teamet bildade ett polymerark (urea-innehållande polyimid) på koppar och exponerade sedan detta ark för starkt laserljus. Genom att införa kvävgas under processen, laget skulle kunna ersätta några av kolatomerna med kväveatomer, nå en extremt hög kvävenivå (13 atomprocent), som är ouppnåeligt med andra tekniker. Således, den tredimensionella grafenen var mer ledande, hade utökat atomavstånd, och var direkt bunden till kopparströmkollektorerna, eliminerar behovet av ytterligare bearbetningssteg.

"Vi ville hitta ett sätt att göra tredimensionella hårda kol utan att behöva värma våra prover för mycket. På så sätt kunde vi bilda det hårda kolet direkt på kopparuppsamlare, " sa Fan Zhang, en Ph.D. student i Alshareefs grupp.

KAUST-forskarna tillverkade natriumjonbatterier med deras laserformade anodmaterial. Deras enhet uppvisade en coulombisk effektivitet som överträffar de flesta rapporterade kolhaltiga anoder, som hårt och mjukt kol, och en natriumjonkapacitet bättre än de flesta tidigare kolanoder i natriumjonbatterier.

"Jag njöt av att lära av alla medlemmar i Prof. Alshareefs grupp, speciellt Fan Zhang, vem var min närmaste mentor, " sa Eman Alhajji, en KAUST Gifted Student Program (KGSP) praktikant och nuvarande student vid North Carolina State University, USA. Eman kommer att gå med i gruppen som doktorand. student nästa höst.

"Zhang och Alhajji är ett beundransvärt exempel på produktivt samarbete mellan KAUST-studenter och besökande KGSP-praktikanter. Deras arbete öppnar en ny riktning inom batteriforskning, som kan utvidgas till andra energilagringstekniker, sa Alshareef.