Будь то образование специальной пены, которая действует как термовыключатели, смешивание с керамикой для образования сверхпрочных электролитов или использование для удержания частиц кремния, графен уже определенным образом определяет будущее аккумуляторных технологий. Ученые в Швеции применили новую форму чудесного материала в эко-устойчивой натриевой батарее и показали, как ее можно использовать для десятикратного увеличения емкости.
Ученые, ищущие новые и улучшенные конструкции батарей, обращают внимание на широко распространенный натрий в качестве замены дорогостоящего и труднодоступного лития. Эти натриево-ионные батареи могут функционировать так же, как современные литий-ионные батареи, вырабатывая энергию, перемещая ионы между парой электродов в жидком электролите, но в настоящее время их производительность не совсем на высоте.
Частично это связано с тем, что ионы натрия имеют больший размер по сравнению с ионами лития, поэтому они не так хорошо образовывают гель с графитовыми электродами, которые состоят из уложенных друг на друга слоев графена. Обычно ионы могут свободно входить и выходить из графитового электрода, когда батарея циклически переключается в процессе, известном как интеркаляция, но более объемные ионы натрия не могут эффективно храниться в структуре. Это значительно снижает производительность натрий-ионной батареи и обеспечивает ее емкость около 35 мАч/г, что составляет десятую часть того, что предлагает литий-ионная химия.
В поисках решения этой проблемы ученые из Технологического университета Чалмерса обратились к графену новой формы с своеобразными свойствами. Используемый командой, графен Янус, названный в честь римского бога, прославившегося наличием двух лиц, обладает различными свойствами составляющих его сторон, включая в себя молекулы, которые действуют как разделители так и как активные центры взаимодействия для ионов натрия.
Мы уже видели, как это мышление применялось к так называемым частицам Януса ранее, например, к сферам, которые одновременно как притягивают, так и отталкивают воду. В рассматриваемом случае молекулы, обнаруженные только на одной стороне графенового материала, облегчают электростатические взаимодействия между сложенными листами, и в то же время также создают больше пространства между ними, что, как обнаружила группа, привело к значительному увеличению емкости.
«Мы добавили молекулу-спейсер на одной стороне графенового слоя», - объясняет член команды Цзиньхуа Сунь (Jinhua Sun). «Когда слои уложены вместе, молекула создает большее пространство между листами графена и обеспечивает точку взаимодействия, что приводит к значительно большей емкости».
Используя свой новый графен Янус вместо графита, ученые достигли емкости в 332 мАч/г в своей экспериментальной натриевой батарее, что примерно в 10 раз выше, чем у традиционных конструкций, и приближается к емкости для лития в графите.
«Было действительно захватывающе, когда мы наблюдали интеркаляцию ионов натрия с такой большой емкостью», - говорит автор исследования, профессор Александар Матич (Aleksandar Matic). «Исследования все еще находятся на ранней стадии, но результаты очень многообещающие. Это показывает, что можно создать слои графена в упорядоченной структуре, которая подходит для ионов натрия, что делает ее сопоставимой с графитом».
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Источник: New Atlas / Chalmers University of Technology