Janus grafeen opent deuren naar duurzame natrium-ionbatterijen

In de zoektocht naar duurzame energieopslag presenteren onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, een nieuw concept om hoogwaardige elektrodematerialen voor natriumbatterijen te vervaardigen. 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, is lithium een ​​duur metaal met zorgen over de levering op lange termijn en milieukwesties.

Natrium daarentegen 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. Een grote uitdaging is echter het vergroten van de capaciteit.

Op het huidige prestatieniveau kunnen natrium-ionbatterijen niet concurreren met lithium-ioncellen. Een beperkende factor is het grafiet, dat is samengesteld uit gestapelde lagen grafeen en wordt 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 kunnen ze 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, creëert het molecuul een grotere ruimte tussen grafeenvellen en zorgt het voor een interactiepunt, wat leidt tot een aanzienlijk hogere capaciteit”, zegt onderzoeker Jinhua Sun bij 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 is de capaciteit van natriumintercalatie in standaardgrafiet ongeveer 35 milliampere uur per gram (mA hg^-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, wat 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 natrium ionen, waardoor het vergelijkbaar is met grafiet”, zegt professor Aleksandar Matic van de afdeling Natuurkunde van 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 dat wordt gecoördineerd door de Chalmers University of Technology.

Het nieuwe grafeen heeft een 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 Janus-grafeen goed met de Romeinse mythologie, wat mogelijk deuren opent 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 grafeenplaten – en de kleine ruimte ertussen – kunnen ontwerpen voor energieopslag met hoge capaciteit. We zijn erg blij om een ​​concept met kosten te presenteren -efficiënte, overvloedige en duurzame metalen”, zegt Vincenzo Palermo, verbonden professor aan de afdeling industriële en materiaalwetenschappen van 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 via een covalente binding verbonden met het onderste grafeenvel en interageert via elektrostatische interacties met het bovenste grafeenvel. De grafeenlagen hebben ook een uniforme poriegrootte, een regelbare functionaliseringsdichtheid en weinig randen.