Natrium-ionbatterijen hebben het potentieel om de momenteel gebruikte lithium-ionbatterijen te vervangen door gebruik te maken van de goedkopere (minder dan een dertigste van de kosten van lithium) en meer overvloedige natriumbron. Dit heeft vooral potentieel in Saoedi-Arabië, waar natrium direct beschikbaar is en gemakkelijk gewonnen kan worden als bijproduct van waterontzilting, een belangrijke bron van drinkwater in het land.

Maar normaal grafiet, het dominante anodemateriaal in lithium-ionbatterijen, worstelt om natriumionen op te slaan of te intercaleren omdat natriumionen groter zijn dan lithiumionen. Harde koolstof is een soort ongeordend grafiet dat meer natriumionen kan opslaan, vandaar het verhogen van de batterijcapaciteit. Het probleem is dat voor het maken van harde koolstof temperaturen van bijna 1000°C nodig zijn.

Het KAUST-team onder leiding van Husam Alshareef heeft een proces ontwikkeld met behulp van een eenvoudige laser op een tafel om driedimensionale harde koolstof rechtstreeks op koperen collectoren te maken zonder overmatige temperaturen of extra coatingstappen.

Het team vormde een polymeer (ureumbevattend polyimide) vel op koper en stelde dit vel vervolgens bloot aan sterk laserlicht. Door tijdens het proces stikstofgas in te brengen, het team zou een deel van de koolstofatomen kunnen vervangen door stikstofatomen, een extreem hoog stikstofgehalte bereiken (13 atoomprocent), die met andere technieken onbereikbaar is. Dus, het driedimensionale grafeen was beter geleidend, atomaire afstand had vergroot, en was direct verbonden met de koperen stroomcollectoren, waardoor er geen extra verwerkingsstappen nodig zijn.

"We wilden een manier vinden om driedimensionale harde koolstoffen te maken zonder onze monsters overmatig te verwarmen. Op deze manier konden we de harde koolstof rechtstreeks op koperen collectoren vormen, " zei Fan Zhang, een doctoraat student in de groep van Alshareef.

De KAUST-onderzoekers fabriceerden natrium-ionbatterijen met behulp van hun lasergevormde anodemateriaal. Hun apparaat vertoonde een coulombefficiëntie die de meeste gerapporteerde koolstofhoudende anoden overtreft, zoals harde en zachte koolstof, en een natriumioncapaciteit die beter is dan de meeste eerdere koolstofanoden in natriumionbatterijen.

"Ik heb genoten van het leren van elk lid van de groep van Prof. Alshareef, vooral Fan Zhang, wie was mijn naaste mentor, " zei Eman Alhajji, een KAUST Gifted Student Program (KGSP) stagiair en huidige student aan de North Carolina State University, VS. Eman zal zich bij de groep voegen als Ph.D. leerling komend najaar.

"Zhang en Alhajji hebben een bewonderenswaardig voorbeeld gegeven van productieve samenwerking tussen afgestudeerde KAUST-studenten en bezoekende KGSP-stagiairs. Hun werk opent een nieuwe richting in batterijonderzoek, die kan worden uitgebreid tot andere technologieën voor energieopslag, ' zei Alshareef.