Natrium är en av de mest förekommande och mest prisvärda metallerna i världen. Nu forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, presentera ett koncept som gör att natriumjonbatterier matchar kapaciteten hos dagens litiumjonbatterier. Med hjälp av en ny typ av grafen, de staplade specialdesignade grafenark med molekyler emellan. Det nya materialet gör det möjligt för natriumjonerna (i grönt) att effektivt lagra energi. Kredit:Marcus Folino och Yen Strandqvist/Chalmers tekniska högskola
I jakten på hållbar energilagring, forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, presentera ett nytt koncept för att tillverka högpresterande elektrodmaterial för natriumbatterier. Den är baserad på en ny typ av grafen för att lagra en av världens vanligaste och billigaste metalljoner – natrium. Resultaten visar att kapaciteten kan matcha dagens litiumjonbatterier.
Även om litiumjoner fungerar bra för energilagring, litium är en dyr metall med oro för dess långsiktiga tillgång och miljöfrågor.
Natrium, å andra sidan, är en riklig lågprismetall, och en huvudingrediens i havsvatten (och i kökssalt). Detta gör natriumjonbatterier till ett intressant och hållbart alternativ för att minska vårt behov av kritiska råvaror. Dock, en stor utmaning är att öka kapaciteten.
På nuvarande prestationsnivå, natriumjonbatterier kan inte konkurrera med litiumjonceller. En begränsande faktor är grafiten, som är sammansatt av staplade lager av grafen, och används som anod i dagens litiumjonbatterier.
Jonerna interkaleras i grafiten, vilket innebär att de kan röra sig in och ut ur grafenlagren och lagras för energianvändning. Natriumjoner är större än litiumjoner och interagerar annorlunda. Därför, de kan inte lagras effektivt i grafitstrukturen. Men Chalmersforskarna har kommit på ett nytt sätt att lösa detta.
Materialet som används i studien har en unik artificiell nanostruktur. Den övre sidan av varje grafenark har en molekyl som fungerar som både spacer och aktiv interaktionsplats för natriumjonerna. Varje molekyl mellan två staplade grafenark är ansluten med en kovalent bindning till det nedre grafenarket och interagerar genom elektrostatiska interaktioner med det övre grafenarket. Grafenskikten har också enhetlig porstorlek, kontrollerbar funktionaliseringstäthet, och få kanter. Upphovsman:Yen Strandqvist/Chalmers tekniska högskola
"Vi har lagt till en molekyldistans på ena sidan av grafenlagret. När lagren staplas ihop, molekylen skapar större utrymme mellan grafenark och ger en interaktionspunkt, vilket leder till en betydligt högre kapacitet, säger forskaren Jinhua Sun vid institutionen för industri- och materialvetenskap på Chalmers och första författare till den vetenskapliga artikeln, publiceras i Vetenskapens framsteg.
Tio gånger energikapaciteten hos standardgrafit
Vanligtvis, kapaciteten för natriuminterkalering i standardgrafit är cirka 35 milliampere timmar per gram (mA h g -1 ). Detta är mindre än en tiondel av kapaciteten för litiumjoninterkalering i grafit. Med det nya grafenet är den specifika kapaciteten för natriumjoner 332 milliampertimmar per gram – vilket närmar sig värdet för litium i grafit. Resultaten visade också full reversibilitet och hög cykelstabilitet.
"Det var riktigt spännande när vi observerade natriumjoninblandningen med så hög kapacitet. Forskningen är fortfarande i ett tidigt skede, men resultaten är mycket lovande. Detta visar att det är möjligt att designa grafenlager i en ordnad struktur som passar natriumjoner, gör den jämförbar med grafit, säger professor Aleksandar Matic vid institutionen för fysik på Chalmers.
"Divine" Janus grafen öppnar dörrar till hållbara batterier
Studien initierades av Vincenzo Palermo i sin tidigare roll som vice-direktör för grafenflaggskeppet, ett EU-kommissionsfinansierat projekt koordinerat av Chalmers tekniska högskola.
Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, presentera ett nytt koncept för att tillverka högpresterande elektrodmaterial för natriumjonbatterier. Den är baserad på en ny typ av grafen för att lagra en av världens vanligaste och billigaste metalljoner – natrium. Resultaten visar att kapaciteten kan matcha dagens litiumjonbatterier. Kredit:Marcus Folino/Chalmers tekniska högskola
Den nya grafenen har asymmetrisk kemisk funktionalisering på motsatta ytor och kallas därför ofta Janus-grafen, efter den forntida romerska guden Janus – guden för nya början, i samband med dörrar och portar, och de första stegen på en resa. I det här fallet korrelerar Janus grafen väl med den romerska mytologin, potentiellt öppna dörrar till natriumjonbatterier med hög kapacitet.
"Vårt Janus-material är fortfarande långt ifrån industriella tillämpningar, men de nya resultaten visar att vi kan konstruera de ultratunna grafenarken – och det lilla utrymmet mellan dem – för energilagring med hög kapacitet. Vi är mycket glada över att kunna presentera ett koncept med kostnadseffektiva, rikliga och hållbara metaller, " säger Vincenzo Palermo, Anknuten professor vid institutionen för industri- och materialvetenskap på Chalmers.
Mer om materialet:Janusgrafen med unik struktur
Materialet som används i studien har en unik artificiell nanostruktur. Den övre sidan av varje grafenark har en molekyl som fungerar som både spacer och aktiv interaktionsplats för natriumjonerna. Varje molekyl mellan två staplade grafenark är ansluten med en kovalent bindning till det nedre grafenarket och interagerar genom elektrostatiska interaktioner med det övre grafenarket. Grafenskikten har också enhetlig porstorlek, kontrollerbar funktionaliseringstäthet, och få kanter.
