Новая концепция электродных материалов позволяет увеличить ёмкость натриево-ионных аккумуляторов

Специалисты Технологического университета Чалмерса (Швеция) представили новую концепцию электродных материалов для натриево-ионных аккумуляторов. Она основывается на новом типе графена и позволяет хранить энергию в виде ионов одного из наиболее распространённых и дешёвых металлов – натрия. Проведенные исследования показывают, что ёмкость этих аккумуляторных батарей может вполне соответствовать существующим литий-ионным аналогам.

С другой стороны натрий является дешевым металлом и присутствует на планете в большом количестве. Это основной компонент морской воды и пищевой соли. Поэтому натрий ионные аккумуляторы выглядят интересной и надёжной альтернативой для производства аккумуляторов в будущем. Но у таких аккумуляторных батарей есть проблема с низкой ёмкостью. При нынешнем уровне развития данной технологии натриевые ионные аккумуляторы не могут составить конкуренцию литиевым. Одним из ограничивающих факторов является графит, из которого делается графит в литий-ионных АКБ.

Проблема в том, что ионы натрия по размеру больше, чем ионы лития. При заряде и разряде они должны входить и выходить из слоёв графита. Но ионы натрия не могут эффективно и в нужном количестве храниться в структуре графита. Поэтому исследователи из Технологического университета Чалмерса разработали способ для обхода этой проблемы. Результаты исследования они опубликовали в журнале Science Advances.

Как говорит ведущий автор исследования Цзиньхуа Сан (Jinhua Sun) из департамента промышленности и материаловедения в Чалмерсе, они добавили разделительную молекулу на одной из сторон графенового слоя. Когда слои наложены друг на друга, молекула обеспечивает больше пространства между ними. В результате ионы натрия лучше внедряются в материал и ёмкость аккумулятора существенно увеличивается.
 

Энергоёмкость в 10 раз больше, чем у стандартного графита

Способность интеркаляции ионов натрия в стандартной графит составляет примерно 35 миллиампер-часов на грамм. Если сравнивать со способностью интеркаляции ионов лития, то это значение в десять раз меньше. В графене, который использовали исследователи, значение удельной ёмкости для ионов натрия равно 332 мАч на грамм. Результаты исследования показали высокую стабильность при циклировании и полную обратимость процесса.

Один из авторов исследования профессор Александар Матич (Aleksandar Matic) с факультета физики Чалмерса сказал, что их работа пока ещё находится на ранней стадии, но промежуточные результаты весьма многообещающие. По его мнению, они показывают, что можно спроектировать слои графена в упорядоченную структуру под ионы натрия. В результате энергоёмкость ионов натрия становится равной значению для ионов лития.

Графен открывает путь к экологически чистым аккумуляторам

Проведённое исследование была инициировано Винченцо Палермо, когда тот занимал должность заместителя директора Graphene Flagship. Это проект, который финансируется Европейской комиссией и технологическим университетом Чалмерса.

Полученный исследователями графен имеет на противоположных гранях асимметричную химическую функционализацию. Поэтому его назвали графеном Януса в честь двуликого древнеримского Януса – бога новых начинаний, связанных с воротами, дверьми, первыми шагами в пути. В этом случае полученный графен для анода хорошо пересекается с римской мифологией. Графен Янус открывает для учёных двери в мир натриево-ионных аккумуляторов большой ёмкости.

Как говорит Винченцо Палермо (Vincenzo Palermo) профессор кафедры промышленности и материаловедения компании Chalmers, полученный графен пока ещё далек от промышленного применения. Но, исходя из полученных результатов, они смогут спроектировать ультратонкие графеновые листы с необходимым пространством между ними для получения аккумулятором большой ёмкости. На данном этапе исследований, говорит он, была задача продемонстрировать концепцию возможного натриево-ионного аккумулятора.
 

Графен Януса имеет уникальную структуру

Материал анода, использованный при проведении исследования, имеет уникальную искусственную на структуру. На верхней стороне каждого слоя графена есть молекула. Она выступает в роли разделителя и активного места взаимодействия для ионов натрия.

С двумя уложенными друг на друга слоями графена молекула связана по-разному. С верхним слоем она взаимодействует посредством электростатических сил. С нижним слоем она связана ковалентной связью. Слои графена имеют одинаковый размер пор, несколько краёв и контролируемую плотность функционализации.