新型石墨烯阳极能否成为未来钠离子电池的关键?

钠是一种非常廉价又丰富的物质,但当用于电池时会产生容量问题,新型石墨烯阳极或许可以解决。

钠是一种经常被提及可以在高能电池中代替锂的材料。锂的长期波动成本和长期可用性与钠的丰富度相比,钠可以容易从海水中以可持续和环保的方式获得,而且成本低也是吸引人的一点,但前提是可以克服一系列缺点。现在,由于缺乏储能能力,钠离子电池还不足以与锂离子电池竞争。

在锂离子电池中,锂离子通过一种称为插层的过程在构成电池阳极(负极)的石墨层中进出。由于锂离子非常小,可以在不产生太大变形的情况下在石墨结构中进出,并可以大量被储存,从而产生可接受的储能水平。

钠离子的问题是比锂离子大,当电池充电时不能很好的嵌入在石墨阳极中。查尔姆斯理工大学(The Chalmers University of Technology)的研究人员提出一个新方法来解决这个问题。

查尔姆斯理工大学工业与材料科学系研究人员Jinhua Sun在新闻发布会上说:“我们在石墨烯层上添加一层分子间隔物,当石墨烯层堆叠在一起时,间隔物可以在石墨烯层之间创造出更大的空间,并提供一个相互作用点,可以很明显的提升电池容量。”

10倍的能量容量

新型石墨烯阳极能否成为未来钠离子电池的关键?

根据研究人员分析,在标准石墨中钠的标准嵌入容量是每克35毫安时(mAh/g),不到石墨中锂离子嵌入容量的十分之一。钠离子在新型石墨烯结构的比容量为每克332毫安时,与正常石墨中的锂离子比容量接近。该研究团队得到的结果也展示了完全可逆性和高循环稳定性。

查尔姆斯理工大学物理系Aleksandar Matic教授说:“当我们观察到如此高容量的钠离子插层时,这真是令人兴奋。这项研究仍旧处于初期阶段,但是结果是非常有希望的。我们或许可以设计出适合钠离子的有序结构的石墨烯层,使其与石墨相媲美。”

新型石墨烯阳极能否成为未来钠离子电池的关键?

‘Jnaus’石墨烯开启新篇章

新型石墨烯通常被称为“Janus”石墨烯,因为它具有不对称化学功能。Janus是古罗马的两面神,同时看着两个不同方向,一副看着过去,一副看着未来。研究人员是这样形容Janus材料的:“研究中使用的材料是具有独特的人工纳米结构的。每个石墨烯片的上表面都有一个分子点,作为钠离子的间隔物和活性相互作用点。在两个堆叠的石墨烯片之间的每个分子通过一个共价键与下层石墨烯片链接,并通过静电作用与上石墨烯片相互作用。”研究团队还指出Janus石墨烯层也有均匀的孔径、可控的功能化密度以及很少的边缘。

查尔姆斯理工大学工业和材料科学系的副教授Vincenzo Palermo说:“我们的Janus材料还达不到在工业应用中采用,但新的研究结果显示我们可以设计出超薄的石墨烯片,可用于高容量的能量储存。我们很高兴提出一个具有成本效益、丰富且可持续金属的观念。”

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

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