9 сентября 2021

Ученые работают над созданием экологичных натриево-ионных батарей

В поисках устойчивого накопления энергии исследователи из Технологического университета Чалмерса (Швеция), представляют новую концепцию производства высокоэффективных электродных материалов для натриевых батарей. Он основан на новом типе графена для хранения одного из самых распространенных и дешевых ионов металлов в мире — натрия. Результаты показывают, что емкость может соответствовать сегодняшним литий-ионным батареям.

Несмотря на то, что ионы лития хорошо подходят для хранения энергии, литий является дорогим металлом, поэтому его долговременные поставки и проблемы с окружающей средой вызывают опасения.

С другой стороны, натрий — это дешевый металл в большом количестве и основной ингредиент морской воды (и кухонной соли). Это делает натрий-ионные аккумуляторы интересной и устойчивой альтернативой для снижения нашей потребности в критически важном сырье. Однако одна из основных задач — увеличить пропускную способность.

При нынешнем уровне производительности натриево-ионные батареи не могут конкурировать с литий-ионными элементами. Одним из ограничивающих факторов является графит, который состоит из слоев графена и используется в качестве анода в современных литий-ионных батареях.

Ионы интеркалируют в графит, что означает, что они могут входить и выходить из графеновых слоев и накапливаться для использования энергии. Ионы натрия больше, чем ионы лития, и взаимодействуют иначе. Следовательно, они не могут эффективно храниться в графитовой структуре. Но исследователи Чалмерса придумали новый способ решить эту проблему.

«Мы добавили разделитель молекулы на одной стороне графенового слоя. Когда слои сложены вместе, молекула создает большее пространство между листами графена и обеспечивает точку взаимодействия, что приводит к значительно большей емкости», — говорит исследователь Цзиньхуа Сан из Департамент промышленности и материаловедения в Чалмерсе и первый автор научной статьи, опубликованной в журнале Science Advances.

В десять раз больше энергоемкости стандартного графита Обычно способность интеркаляции натрия в стандартный графит составляет около 35 миллиампер-часов на грамм (мА ч г -1 ). Это меньше одной десятой способности литий-ионного интеркалирования в графите. В новом графене удельная емкость для ионов натрия составляет 332 миллиампер-часа на грамм, что приближается к значению для лития в графите. Результаты также показали полную обратимость и высокую циклическую стабильность.

«Было действительно захватывающе, когда мы наблюдали интеркаляцию ионов натрия с такой высокой емкостью. Исследования все еще находятся на ранней стадии, но результаты очень многообещающие. Это показывает, что можно спроектировать слои графена в упорядоченной структуре, подходящей для натрия. ионы, что делает его сопоставимым с графитом » , — говорит профессор Александар Матич с факультета физики Чалмерса.

«Божественный» графен Януса открывает двери для экологически чистых батарей Исследование было инициировано Винченцо Палермо в его предыдущей должности заместителя директора Graphene Flagship, проекта, финансируемого Европейской комиссией и координируемого Технологическим университетом Чалмерса. Новый графен имеет асимметричную химическую функционализацию на противоположных сторонах, и поэтому его часто называют графеном Януса, в честь двуликого древнеримского бога Януса — бога новых начинаний, связанных с дверями и воротами и первыми шагами пути. В этом случае графен Януса хорошо коррелирует с римской мифологией, потенциально открывая двери для натриево-ионных батарей большой емкости.

«Наш материал Janus все еще далек от промышленного применения , но новые результаты показывают, что мы можем спроектировать ультратонкие графеновые листы — и крошечное пространство между ними — для хранения энергии большой емкости. Мы очень рады представить концепцию с ценой — эффективных, доступных и устойчивых металлов », — говорит Винченцо Палермо, аффилированный профессор кафедры промышленности и материаловедения компании Chalmers.

Материал, использованный в исследовании, имеет уникальную искусственную наноструктуру. На верхней стороне каждого листа графена есть молекула, которая действует как спейсер и как активное место взаимодействия для ионов натрия . Каждая молекула между двумя уложенными друг на друга листами графена ковалентной связью связана с нижним листом графена и взаимодействует посредством электростатических взаимодействий с верхним листом графена . В графеновые слои также имеют одинаковый размер пор, контролируемую плотность функционализации, и несколько ребер.