Natrium är en av världens vanligaste metaller och huvudingrediens i såväl havsvatten som bordssalt. I framtiden kan natriumjoner även vara en del av en hållbar batterilösning. Med hjälp av en ny typ av grafen har Chalmersforskare lyckats skapa ett elektrodmaterial som gör att natriumjonbatterier kan få så hög kapacitet att de enligt forskarna kan matcha dagens litiumjonbatterier.
Trots att litiumjoner fungerar bra för energilagring är metallen litium dyr och riskerar att bli en bristråvara. Natrium, å andra sidan, är en av världens vanligaste och mest prisvärda metaller. Det gör natriumjonbatterier till ett intressant och hållbart alternativ för att minska behovet av bristråvaror. Den stora utmaningen är att lyckas höja batterikapaciteten.
Underlättar energilagringen
Med dagens teknik kan natriumjonbatterier inte konkurrera med litiumjonceller. En begränsande faktor är att den ena batteripolen, anoden, utgörs av grafit, som är staplade lager av grafen.
De elektriskt laddade partiklarna, jonerna, rör sig in och ut mellan grafenskikten och lagrar energi. Natriumjoner är större än litiumjoner och beter sig även lite annorlunda. Det gör att de inte kan lagra energi på ett effektivt sätt i den grafitstruktur som finns i dagens litiumjonbatterier. Där har Chalmersforskarna nu löst problemet med hjälp av den nya grafentypen. De har lagt till molekyler som fungerar som små distansklossar för att underlätta för jonerna.
– För att skapa ett bra interaktionsutrymme för natriumjonerna har vi lagt till en molekyl på ena sidan av varje grafenlager och därmed skapat ett nytt material av typen janusgrafen. När lagren staplas skapar molekylen ett avstånd mellan skikten, vilket resulterar i en betydligt högre kapacitet, säger forskaren Jinhua Sun vid institutionen för industri- och materialvetenskap vid Chalmers.
Tio gånger så hög energikapacitet
Som regel är kapaciteten för natriuminlagring i elektrodens grafit cirka 35 milliamperetimmar per gram (mAh g-1). Det är mindre än en tiondel av kapaciteten för litiumjoninlagring i grafit. När janusgrafen används istället för grafit blir den specifika kapaciteten istället 332 milliamperetimmar per gram – vilket närmar sig värdet för litium i grafit.
Resultaten visade enligt forskarna också på hög stabilitet vid upp- och urladdning.
– Det är riktigt spännande att se natriumjoninlagring med så hög kapacitet. Detta visar att det är möjligt att designa grafenskikt i en ordnad struktur som passar natriumjoner, vilket gör det jämförbart med grafit. Forskningen är fortfarande i ett tidigt skede, men resultaten är mycket lovande, säger professor Aleksandar Matic vid institutionen för fysik vid Chalmers.
– Vi är mycket glada över att presentera ett koncept med kostnadseffektiva och miljömässigt hållbara metaller, säger Vincenzo Palermo, affilierad professor vid institutionen för industri- och materialvetenskap vid Chalmers.
Mer om materialet: ”Gudalik” grafen öppnar dörrar för hållbara batterier
Grafen är ett nobelprisbelönat, ultratunt material som består av kolatomer. Den typ av grafen som används i studien kallas janusgrafen. Materialet har en unik konstgjord nanostruktur som består av staplade grafenark med molekyler emellan. Dessa molekyler fungerar som distansklossar mellan arken och skapar ett utrymme som låter natriumjonerna växelverka för att effektivt kunna lagra in energi.
Janusgrafen har asymmetriska ytor och är uppkallat efter den forntida romerska guden Janus som hade två ansikten. Janus var förknippad med nystart och med att öppna dörrar och portar. I det här fallet hänger janusgrafen bra ihop med den romerska mytologin, eftersom materialet öppnar dörrar till hållbara natriumjonbatterier.
Mer om forskningen:
Den vetenskapliga artikeln ”Real-time imaging of Na+ reversible intercalation in ”Janus” graphene stacks for battery applications” har publicerats i Science Advances och är skriven av Jinhua Sun, Matthew Sadd, Philip Edenborg, Henrik Grönbeck, Peter H. Thiesen, Zhenyuan Xia, Vanesa Quintano, Ren Qiu, Aleksandar Matic och Vincenzo Palermo.
Forskarna är verksamma vid Institutionen för industri- och materialvetenskap, institutionen för fysik och kompetenscentrum för katalys vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, Accurion GmbH, Tyskland och Institute of Organic Synthesis and Photoreactivity (ISOF) vid National Research Council of Italien.
Forskningsprojektet har finansierats av EU:s innovationsprogram Horisont 2020 genom Grafenflaggskeppet, samt av Chalmersstiftelsen och Vetenskapsrådet. Beräkningarna utfördes vid C3SE (Göteborg, Sverige) genom ett SNIC-bidrag. Arbetet utfördes delvis vid Myfab Chalmers samt i Chalmers materialanalyslaboratorium.
