Ett internationellt team av forskare från NUST MISIS, Russian Academy of Science och Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf har funnit att istället för litium (Li), natrium (Na) "staplad" på ett speciellt sätt kan användas för batteriproduktion. Natriumbatterier skulle vara betydligt billigare och likvärdigt eller till och med rymligare än befintliga litiumbatterier. Resultaten av studien publiceras i tidskriften Nanoenergi .

Det är svårt att överskatta litiumjonbatteriers roll i det moderna livet. Dessa batterier används överallt:i mobiltelefoner, bärbara datorer, kameror, samt i olika typer av fordon och rymdskepp. Li-ion-batterier kom in på marknaden 1991, och 2019, deras uppfinnare fick Nobelpriset i kemi för deras revolutionära bidrag till teknikutvecklingen. På samma gång, litium är en dyr alkalisk metall, och dess reserver är globalt begränsade. För närvarande, det finns inget fjärreffektivt alternativ till litiumjonbatterier. På grund av att litium är ett av de lättaste kemiska grundämnena, det är mycket svårt att byta ut det för att skapa rymliga batterier.

Teamet av forskare från NUST MISIS, Ryska vetenskapsakademin och Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, ledd av professor Arkadiy Krashennikov, föreslår ett alternativ. De fann att om atomerna inuti provet är "staplade" på ett visst sätt, då visar andra alkalimetaller än litium också hög energiintensitet. Den mest lovande ersättningen för litium är natrium (Na), eftersom ett tvåskiktsarrangemang av natriumatomer i bigraphen sandwich visar en anodkapacitet som är jämförbar med kapaciteten hos en konventionell grafitanod i Li-ion-batterier - cirka 335 mA*h/g mot 372 mA*h/g för litium. Dock, natrium är mycket vanligare än litium, och därför billigare och lättare att få tag på.

Ett speciellt sätt att stapla atomer är att faktiskt placera dem ovanför varandra. Denna struktur skapas genom att överföra atomer från en metallbit till utrymmet mellan två ark grafen under högspänning, som simulerar processen att ladda ett batteri. I slutet, det ser ut som en smörgås som består av ett lager kol, två lager av alkalimetall, och ytterligare ett lager kol.

Ilya Chepkasov, forskare vid NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials, säger, "Under en lång tid, man trodde att litiumatomer i batterier bara kan placeras i ett lager, annars blir systemet instabilt. Trots detta, nyligen genomförda experiment av våra tyska kollegor har visat att med noggrant urval av metoder, det är möjligt att skapa flerlagers stabila litiumstrukturer mellan grafenlager. Detta öppnar för stora möjligheter att öka kapaciteten hos sådana strukturer. Därför, vi var intresserade av att studera möjligheten att bilda flerskiktsstrukturer med andra alkalimetaller, inklusive natrium, med datorsimulering."

Zakhar Popov, senior forskare vid NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials and RAS, säger, "Vår simulering visar att litiumatomer binder mycket starkare till grafen, men att öka antalet lager av litium leder till mindre stabilitet. Den motsatta trenden observeras när det gäller natrium - när antalet lager av natrium ökar, the stability of such structures increases, so we hope that such materials will be obtained in the experiment."

The next step of the research team is to create an experimental sample and study it in the laboratory. This will be handled in Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany. Om det lyckas, it could lead to a new generation of Na batteries that will be significantly cheaper and equivalently or even more capacious than Li-ion batteries.