Een internationaal team van wetenschappers van NUST MISIS, Russische Academie van Wetenschappen en het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf hebben ontdekt dat in plaats van lithium (Li), natrium (Na) op een speciale manier "gestapeld" kan worden gebruikt voor de productie van batterijen. Natriumbatterijen zouden aanzienlijk goedkoper en gelijkwaardig of zelfs ruimer zijn dan bestaande lithiumbatterijen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano-energie .

Het is moeilijk om de rol van lithium-ionbatterijen in het moderne leven te overschatten. Deze batterijen worden overal gebruikt:in mobiele telefoons, laptops, camera's, evenals in verschillende soorten voertuigen en ruimteschepen. Li-ionbatterijen kwamen in 1991 op de markt, en anno 2019, hun uitvinders kregen de Nobelprijs voor scheikunde voor hun revolutionaire bijdrage aan de ontwikkeling van technologie. Tegelijkertijd, lithium is een duur alkalimetaal, en zijn reserves zijn wereldwijd beperkt. Momenteel, er is geen op afstand effectief alternatief voor lithium-ionbatterijen. Omdat lithium een ​​van de lichtste chemische elementen is, het is erg moeilijk om het te vervangen om ruime batterijen te maken.

Het team van wetenschappers van NUST MISIS, Russische Academie van Wetenschappen en het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, onder leiding van professor Arkadiy Krashennikov, stelt een alternatief voor. Ze ontdekten dat als de atomen in het monster op een bepaalde manier "gestapeld" zijn, dan vertonen andere alkalimetalen dan lithium ook een hoge energie-intensiteit. De meest veelbelovende vervanger voor lithium is natrium (Na), omdat een tweelaagse opstelling van natriumatomen in bigraphen-sandwich een anodecapaciteit vertoont die vergelijkbaar is met de capaciteit van een conventionele grafietanode in Li-ionbatterijen - ongeveer 335 mA * h / g tegen 372 mA * h / g voor lithium. Echter, natrium komt veel vaker voor dan lithium, en daardoor goedkoper en gemakkelijker te verkrijgen.

Een speciale manier om atomen te stapelen, is ze boven elkaar te plaatsen. Deze structuur ontstaat door onder hoogspanning atomen van een stuk metaal naar de ruimte tussen twee vellen grafeen over te brengen, die het proces van het opladen van een batterij simuleert. Uiteindelijk, het lijkt op een sandwich bestaande uit een laag koolstof, twee lagen alkalimetaal, en nog een laag koolstof.

Ilja Tsjepkasov, onderzoeker bij NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials, zegt, "Voor een lange tijd, men geloofde dat lithiumatomen in batterijen zich maar in één laag kunnen bevinden, anders wordt het systeem instabiel. Ondanks dit, recente experimenten van onze Duitse collega's hebben aangetoond dat met een zorgvuldige selectie van methoden, het is mogelijk om meerlaagse stabiele lithiumstructuren te creëren tussen grafeenlagen. Dit opent brede perspectieven voor het vergroten van de capaciteit van dergelijke structuren. Daarom, we waren geïnteresseerd in het bestuderen van de mogelijkheid om meerlaagse structuren te vormen met andere alkalimetalen, inclusief natrium, met behulp van computersimulatie."

Zakhar Popov, senior onderzoeker bij NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials and RAS, zegt, "Onze simulatie laat zien dat lithiumatomen veel sterker binden aan grafeen, maar het verhogen van het aantal lagen lithium leidt tot minder stabiliteit. De tegenovergestelde trend wordt waargenomen in het geval van natrium:naarmate het aantal lagen natrium toeneemt, de stabiliteit van dergelijke constructies neemt toe, dus we hopen dat dergelijke materialen in het experiment zullen worden verkregen."

De volgende stap van het onderzoeksteam is om een ​​experimenteel monster te maken en dit in het laboratorium te bestuderen. This will be handled in Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany. Indien succesvol, 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.