26 августа 2021 года Обзор Алекса Смита

Исследователи из Технологического университета Чалмерса представили новую концепцию производства высокоэффективных электродных материалов для натриевых батарей. Работа представляет собой попытку найти устойчивое хранение энергии.

Подход основан на новом типе графена со способностью накапливать натрий, который является одним из наиболее широко используемых и дешевых ионов металлов в мире. Результаты показали, что емкость соответствует современным литий-ионным батареям.

Хотя ионы лития лучше подходят для хранения энергии, литий является дорогостоящим металлом, что связано с его долгосрочными поставками и проблемами окружающей среды.

Натрий является широко распространенным недорогим материалом и является основным компонентом морской воды (и кухонной соли). Это превращает натриево-ионные аккумуляторы в привлекательную и устойчивую альтернативу для снижения требований к критически важному сырью. Однако впереди стоят задачи по увеличению пропускной способности.

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

Ионы интеркалируют в графите, что означает, что они имеют тенденцию перемещаться в графитовые слои и выходить из них, обеспечивая накопление для использования энергии. Ионы натрия больше, чем ионы лития, и реагируют иначе. Это создает проблемы при их эффективном хранении в графитовой структуре. Однако исследование представляет новый метод решения этой проблемы.

Мы добавили молекулярную прокладку с одной стороны графенового слоя. Когда слои уложены вместе, молекула создает большее пространство между листами графена и обеспечивает точку взаимодействия, что приводит к значительно большей емкости .

Цзиньхуа Сунь, первый автор исследования и исследователь, Департамент промышленности и материаловедения, Технологический университет Чалмерса

Научная статья была опубликована в журнале Science Advances .

В десять раз больше, чем у стандартного графита

Обычно способность интеркаляции натрия в стандартном графите находится в диапазоне 35 мА ч г ^-1 . Это меньше одной десятой способности литий-ионного интеркалирования в графите. При использовании нового графена удельная емкость для ионов натрия составляет 332 мА ч г ^-1 что близко 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 большой емкостью. Исследование все еще находится на начальной стадии, но результаты многообещающие. Это показывает, что можно создать слои графена в упорядоченной структуре, которая подходит для ионов натрия, что делает ее сопоставимой с графитом.

Александр Матич, профессор кафедры физики Технологического университета Чалмерса

«Божественный» Янус Графен открывает двери для устойчивых батарей

Исследование было начато Винченцо Палермо на его прежней должности заместителя директора Graphene Flagship, проекта, финансируемого Европейской комиссией и координируемого Технологическим университетом Чалмерса.

Новый графен обладает асимметричной химической функционализацией на противоположных гранях и поэтому упоминается как графен Януса, в честь двуликого древнеримского бога Януса – бога новых начал. Название связано с дверями и воротами, а также с начальными этапами пути. Однако здесь имя графен Януса относится к римской мифологии, обозначая потенциальные ворота в натриево-ионные батареи большой емкости.

Наш материал Janus все еще далек от промышленного применения, но новые результаты показывают, что мы можем сконструировать ультратонкие графеновые листы – и крошечное пространство между ними – для хранения энергии большой емкости. Мы очень рады представить концепцию рентабельных, доступных и устойчивых металлов .

Винченцо Палермо, аффилированный профессор, факультет промышленности и материаловедения, Технологический университет Чалмерса

Исследование финансировалось исследовательской и инновационной программой Европейского Союза Horizon 2020 в рамках GrapheneCore3 881603 – Graphene Flagship, проекта FLAG-ERA PROSPECT, Фонда Чалмерса и Шведского исследовательского совета. Расчеты были выполнены в C3SE (Гетеборг, Швеция) за счет гранта SNIC. Эта работа была частично выполнена в лаборатории анализа материалов Myfab Chalmers and Chalmers.

Ссылка на журнал:

Sun, J., и др. . (2021) Визуализация в реальном времени обратимой интеркаляции Na + в графеновых стеках «Янус» для аккумуляторных приложений. Достижения науки . doi.org/10.1126/sciadv.abf0812.

Источник: https://www.chalmers.se/en/Pages/default.aspx[19459007visible