Замена литию: "двуликий" графен в 10 раз улучшил дешевые натриевые батареи

Команда ученых из Швеции в 10 раз увеличила емкость новых натрий-ионных аккумуляторов при помощи особой конструкции из графена.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Sciece Advances.

Ученые уже давно ищут замену дорогостоящему и сложному в добыче литию, который используется при производстве батарей для различных устройств. Одним из самых перспективных "кандидатов на замену" считают натрий — дешевый и весьма распространенный в мире элемент. Главная проблема заключается в низкой емкости натриевых батарей, однако сотрудники из Технического Университета Чалмерса уже нашли решение, придумав новую структуру.

Натрий-ионный батареи работают так же, как и литиевые: вырабатывают энергию, перемещая ионы между парой электродов в жидком электролите. Однако ионы натрия крупнее ионов лития, поэтому хуже взаимодействуют с графитовыми электродами, состоящими из нескольких слоев графена, и не могут эффективно храниться в процессе циклической работы аккумулятора. В результате емкость натрий-ионных структур составляет около 35 мАч/г (миллиампер часов на грамм), что в 10 раз меньше, по сравнению с емкостью литиевых батарей.

Чтобы решить проблему, шведские ученые использовали новую форму графена "Янус" (Janus), названную в честь двуликого римского бога. Такая структура имеет молекулы только с одной стороны, которые выступают разделителями и активными центрами, в которых взаимодействуют ионы натрия.

"Мы добавили разделитель молекул на одной стороне графенового слоя. Когда слои сложены вместе, молекула создает большее пространство между листами графена и обеспечивает точку взаимодействия, что приводит к значительному увеличению емкости", — объяснил физик Цзиньхуа Сунь.

Применив графен "Янус", ученые создали экспериментальную натрий-ионную батарею емкостью в 332 мАч/г, что примерно в 10 раз больше, чем у батарей с традиционными конструкциями. Такой показатель практически соизмерим с емкостью литиевых аккумуляторов на графитовых электродах.

"Было действительно захватывающе, когда мы наблюдали интеркаляцию ионов натрия с такой большой емкостью. Исследования пока 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", — рассказал ведущий автор проекта профессор Александар Матич.

Как добавил профессор Винченцо Палермо, материал "Янус" пока не годится для производства в промышленных масштабах. В то же время, ученые гордятся своей рабочей концепцией аккумуляторов на основе экономичного, дешевого и экологически безопасного металла.

Ранее ученые додумались использовать углекислый газ вместо лития в новом типе аккумуляторов. В некоторых конфигурациях они смогут мгновенно поглощать и передавать энергию.

Писали также, что американские физики разработали сверхмощный микроаккумулятор весом в два рисовых зерна. Секрет успеха заключается в новой оболочке, которая тоже аккумулирует энергию. Такие элементы предлагают использовать для питания роботов или носимых гаджетов.

Ученые создали аккумуляторы, которые можно заряжать при помощи LED-ламп. Обычное комнатное освещение позволит забыть о зарядке домашних устройств и экономить много электроэнергии.