Заміна літію: "дволикий" графен у 10 разів поліпшив дешеві натрієві батареї

батарея
Фото: zabala.eu | Натрій-іонна батарея

Експерименти показали, що нові електроди роблять натрій-іонні акумулятори майже такими ж ефективними, як літій-іонні.

Команда вчених зі Швеції в 10 разів збільшила ємність нових натрій-іонних акумуляторів за допомогою особливої конструкції з графена.

Результати дослідження були опубліковані в журналі Sciece Advances.

Учені вже давно шукають заміну дорогому та складному у видобутку літію, який використовується для виробництва батарей для різних пристроїв. Одним із найбільш перспективних "кандидатів на заміну" вважають натрій — дешевий і дуже поширений у світі елемент. Головна проблема полягає в низькій ємності натрієвих батарей, проте співробітники з Технічного Університету Чалмерса вже знайшли рішення, вигадавши нову структуру.

Натрій-іонні батареї працюють так само, як і літієві: виробляють енергію, переміщаючи іони між парою електродів у рідкому електроліті. Однак іони натрію крупніші, ніж іони літію, тому гірше взаємодіють з графітовими електродами, що складаються з декількох шарів графена, і не можуть ефективно зберігатися в процесі циклічної роботи акумулятора. Унаслідок ємність натрій-іонних структур становить приблизно 35 мАгод/г (міліампер годин на грам), що в 10 разів менше, порівняно з ємністю літієвих батарей.

Щоб вирішити проблему, шведські вчені використовували нову форму графена "Янус" (Janus), названу на честь дволикого римського бога. Така структура має молекули тільки з одного боку, які виступають роздільниками й активними центрами, в яких взаємодіють іони натрію.

Графен
Графенові шари "Янус"
Фото: Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

"Ми додали роздільник молекул на одній стороні графенового шару. Коли шари складені разом, молекула створює більший простір між листами графена і забезпечує точку взаємодії, що призводить до значного збільшення ємності", — пояснив фізик Цзіньхуа Сунь.

Застосувавши графен "Янус", учені створили експериментальну натрій-іонну батарею ємністю 332 мАгод/г, що приблизно в 10 разів більше, ніж у батарей з традиційними конструкціями. Такий показник можна практично порівняти з ємністю літієвих акумуляторів на графітових електродах.

"Було дійсно захопливо, коли ми спостерігали інтеркаляції іонів натрію з такою великою ємністю. Дослідження поки знаходяться на ранній стадії, але результати дуже великонадійні. Це показує, що можна створити шари графена у впорядкованій структурі, яка підходить для іонів натрію, що робить її зіставною з графітом", — розповів провідний автор проєкту професор Александар Матіч.

Як додав професор Вінченцо Палермо, матеріал "Янус" поки не підходить для виробництва в промислових масштабах. У той же час, учені пишаються своєю робочою концепцією акумуляторів на основі економічного, дешевого й екологічно безпечного металу.

Раніше вчені додумалися використовувати вуглекислий газ замість літію в новому типі акумуляторів. У деяких конфігураціях вони зможуть миттєво поглинати і передавати енергію.

Писали також, що американські фізики розробили надпотужний мікроакумулятор вагою в два рисові зерна. Секрет успіху полягає в новій оболонці, яка теж акумулює енергію. Такі елементи пропонують використовувати для живлення роботів або гаджетів, що носяться.

Учені створили акумулятори, які можна заряджати за допомогою LED-ламп. Звичайне кімнатне освітлення дозволить забути про зарядку домашніх пристроїв та економити багато електроенергії.