In de zoektocht naar duurzame energieopslag, onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, presenteren een nieuw concept voor het vervaardigen van hoogwaardige elektrodematerialen voor natriumbatterijen. Het is gebaseerd op een nieuw type grafeen om een ​​van 's werelds meest voorkomende en goedkope metaalionen op te slaan:natrium. De resultaten tonen aan dat de capaciteit kan tippen aan de huidige lithium-ionbatterijen.

Hoewel lithiumionen goed werken voor energieopslag, lithium is een duur metaal met zorgen over de levering op lange termijn en milieukwesties.

Natrium, anderzijds, is een overvloedig goedkoop metaal, en een hoofdingrediënt in zeewater (en in keukenzout). Dit maakt natrium-ion-batterijen een interessant en duurzaam alternatief om onze behoefte aan kritische grondstoffen te verminderen. Echter, een grote uitdaging is het vergroten van de capaciteit.

Op het huidige prestatieniveau natrium-ionbatterijen kunnen niet concurreren met lithium-ioncellen. Een beperkende factor is het grafiet, die is samengesteld uit gestapelde lagen grafeen, en gebruikt als anode in de huidige lithium-ionbatterijen.

De ionen intercaleren in het grafiet, wat betekent dat ze in en uit de grafeenlagen kunnen bewegen en worden opgeslagen voor energieverbruik. Natriumionen zijn groter dan lithiumionen en werken anders samen. Daarom, ze kunnen niet efficiënt worden opgeslagen in de grafietstructuur. Maar de onderzoekers van Chalmers hebben een nieuwe manier bedacht om dit op te lossen.

"We hebben een molecuulafstandhouder aan één kant van de grafeenlaag toegevoegd. Wanneer de lagen op elkaar worden gestapeld, het molecuul creëert grotere ruimte tussen grafeenplaten en zorgt voor een interactiepunt, wat leidt tot een aanzienlijk hogere capaciteit, " zegt onderzoeker Jinhua Sun van het Department of Industrial and Materials Science in Chalmers en eerste auteur van het wetenschappelijke artikel, gepubliceerd in Vooruitgang in de wetenschap.

Tien keer de energiecapaciteit van standaard grafiet

Typisch, de capaciteit van natriumintercalatie in standaardgrafiet is ongeveer 35 milliampère uur per gram (mA h g ^-1 ). Dit is minder dan een tiende van de capaciteit voor lithium-ion-intercalatie in grafiet. Met het nieuwe grafeen is de specifieke capaciteit voor natriumionen 332 milliampère-uur per gram - de waarde voor lithium in grafiet benadert. De resultaten toonden ook volledige omkeerbaarheid en hoge fietsstabiliteit.

"Het was echt spannend toen we de natrium-ion-intercalatie met zo'n hoge capaciteit observeerden. Het onderzoek bevindt zich nog in een vroeg stadium, maar de resultaten zijn veelbelovend. Dit laat zien dat het mogelijk is om grafeenlagen te ontwerpen in een geordende structuur die past bij natriumionen, waardoor het vergelijkbaar is met grafiet, ", zegt professor Aleksandar Matic van de afdeling Natuurkunde in Chalmers.

"Goddelijk" Janus grafeen opent deuren naar duurzame batterijen

Het onderzoek is geïnitieerd door Vincenzo Palermo in zijn vorige rol als vice-directeur van het Graphene Flagship, een door de Europese Commissie gefinancierd project gecoördineerd door Chalmers University of Technology.

Het nieuwe grafeen heeft asymmetrische chemische functionalisering op tegenoverliggende vlakken en wordt daarom vaak Janus-grafeen genoemd, naar de oude Romeinse god Janus met twee gezichten - de God van een nieuw begin, geassocieerd met deuren en poorten, en de eerste stappen van een reis. In dit geval correleert het Janusgrafeen goed met de romeinse mythologie, mogelijk deuren openen naar natrium-ionbatterijen met hoge capaciteit.

"Ons Janus-materiaal is nog verre van industriële toepassingen, maar de nieuwe resultaten laten zien dat we de ultradunne grafeenvellen - en de kleine ruimte ertussen - kunnen ontwerpen voor energieopslag met hoge capaciteit. We zijn erg blij om een ​​concept te presenteren met kostenefficiënte, overvloedige en duurzame metalen, " zegt Vincenzo Palermo, Universitair hoofddocent bij de afdeling Industriële en Materiaalwetenschappen in Chalmers.

Meer over het materiaal:Janus grafeen met een unieke structuur

Het materiaal dat in het onderzoek is gebruikt, heeft een unieke kunstmatige nanostructuur. Het bovenvlak van elk grafeenvel heeft een molecuul dat fungeert als zowel spacer als actieve interactieplaats voor de natriumionen. Elk molecuul tussen twee gestapelde grafeenvellen is verbonden door een covalente binding met het onderste grafeenvel en interageert via elektrostatische interacties met het bovenste grafeenvel. De grafeenlagen hebben ook een uniforme poriegrootte, regelbare functionaliseringsdichtheid, en weinig randen.