"Janus"-Graphen öffnet Türen zu nachhaltigen Natrium-Ionen-Batterien

Zehnmal höhere Energiekapazität als bei Standardgraphit

31.08.2021 - Schweden

Auf der Suche nach nachhaltigen Energiespeichern stellen Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, ein neues Konzept zur Herstellung von Hochleistungselektrodenmaterialien für Natriumbatterien vor. Es basiert auf einer neuartigen Art von Graphen zur Speicherung eines der häufigsten und billigsten Metallionen der Welt - Natrium. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kapazität mit der heutiger Lithium-Ionen-Batterien mithalten kann.

Marcus Folino and Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

Natrium ist eines der am häufigsten vorkommenden und günstigsten Metalle der Welt. Jetzt haben Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden ein Konzept vorgestellt, das es Natrium-Ionen-Batterien ermöglicht, die Kapazität heutiger Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen. Unter Verwendung einer neuen Art von Graphen schichteten sie speziell entwickelte Graphenblätter mit dazwischen liegenden Molekülen auf. Das neue Material ermöglicht es den Natrium-Ionen (in grün), Energie effizient zu speichern.

Obwohl sich Lithium-Ionen gut für die Energiespeicherung eignen, ist Lithium ein teures Metall, bei dem Bedenken hinsichtlich seiner langfristigen Versorgung und Umweltfragen bestehen.

Natrium hingegen ist ein reichlich vorhandenes, kostengünstiges Metall und ein Hauptbestandteil von Meerwasser (und Kochsalz). Dies macht Natrium-Ionen-Batterien zu einer interessanten und nachhaltigen Alternative, um unseren Bedarf an kritischen Rohstoffen zu senken. Eine große Herausforderung besteht jedoch darin, die Kapazität zu erhöhen.

Auf dem derzeitigen Leistungsniveau können Natrium-Ionen-Batterien nicht mit Lithium-Ionen-Zellen konkurrieren. Ein limitierender Faktor ist der Graphit, der aus gestapelten Graphenschichten besteht und in den heutigen Lithium-Ionen-Batterien als Anode verwendet wird.

Die Ionen lagern sich im Graphit ein, was bedeutet, dass sie sich in die Graphenschichten hinein- und herausbewegen und für die Energienutzung gespeichert werden können. Natrium-Ionen sind größer als Lithium-Ionen und verhalten sich anders. Daher können sie nicht effizient in der Graphitstruktur gespeichert werden. Die Chalmers-Forscher haben jedoch einen neuen Weg gefunden, dieses Problem zu lösen.

"Wir haben ein Molekül als Abstandshalter auf einer Seite der Graphenschicht angebracht. Wenn die Schichten übereinander gestapelt werden, schafft das Molekül einen größeren Raum zwischen den Graphenblättern und bietet einen Interaktionspunkt, was zu einer deutlich höheren Kapazität führt", sagt der Forscher Jinhua Sun vom Department of Industrial and Materials Science an der Chalmers University und Erstautor der wissenschaftlichen Arbeit, die in Science Advancesveröffentlicht wurde .

Zehnmal höhere Energiekapazität als bei Standardgraphit

Normalerweise liegt die Kapazität der Natriumeinlagerung in Standardgraphit bei etwa 35 Milliamperestunden pro Gramm (mA h g-1). Das ist weniger als ein Zehntel der Kapazität für Lithium-Ionen-Interkalation in Graphit. Mit dem neuartigen Graphen beträgt die spezifische Kapazität für Natriumionen 332 Milliamperestunden pro Gramm und nähert sich damit dem Wert für Lithium in Graphit. Die Ergebnisse zeigen auch eine vollständige Reversibilität und eine hohe Zyklenstabilität.

"Es war wirklich aufregend, als wir die Natrium-Ionen-Interkalation mit einer so hohen Kapazität beobachteten. Die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium, aber die Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Sie zeigen, dass es möglich ist, Graphenschichten in einer geordneten Struktur zu entwerfen, die für Natriumionen geeignet ist, so dass sie mit Graphit vergleichbar ist", sagt Professor Aleksandar Matic vom Fachbereich Physik in Chalmers.

"Göttliches" Janus-Graphen öffnet Türen zu nachhaltigen Batterien

Die Studie wurde von Vincenzo Palermo in seiner früheren Funktion als Vizedirektor des Graphene Flagship initiiert, einem von der Europäischen Kommission finanzierten Projekt, das von der Chalmers University of Technology koordiniert wird.

Das neuartige Graphen weist eine asymmetrische chemische Funktionalisierung auf den gegenüberliegenden Seiten auf und wird daher oft als Janus-Graphen bezeichnet, nach dem zweigesichtigen antiken römischen Gott Janus - dem Gott des Neuanfangs, der mit Türen und Toren und den ersten Schritten einer Reise assoziiert wird. In diesem Fall korreliert das Janus-Graphen gut mit der römischen Mythologie und könnte die Tür zu Natrium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität öffnen.

"Unser Janus-Material ist noch weit von industriellen Anwendungen entfernt, aber die neuen Ergebnisse zeigen, dass wir die ultradünnen Graphenblätter - und den winzigen Raum zwischen ihnen - für eine Energiespeicherung mit hoher Kapazität entwickeln können. Wir freuen uns sehr, ein Konzept mit kosteneffizienten, reichlich vorhandenen und nachhaltigen Metallen vorstellen zu können", sagt Vincenzo Palermo, außerordentlicher Professor am Fachbereich für Industrie- und Materialwissenschaften an der Chalmers-Universität.

Mehr über das Material: Janus-Graphen mit einer einzigartigen Struktur

Das in der Studie verwendete Material hat eine einzigartige künstliche Nanostruktur. Auf der Oberseite jedes Graphenblatts befindet sich ein Molekül, das sowohl als Abstandshalter als auch als aktive Interaktionsstelle für die Natriumionen dient. Jedes Molekül zwischen zwei gestapelten Graphenschichten ist durch eine kovalente Bindung mit der unteren Graphenschicht verbunden und interagiert durch elektrostatische Wechselwirkungen mit der oberen Graphenschicht. Die Graphenschichten weisen außerdem eine einheitliche Porengröße, eine kontrollierbare Funktionalisierungsdichte und wenige Kanten auf.

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