10倍！新型石墨烯让钠电池容量大增 未来或可与锂电池相媲美

在寻找可持续能源存储技术的过程中，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一种新概念来制造用于钠电池的高性能电极材料。 它基于一种新型石墨烯来储存世界上最常见和最便宜的金属离子之一——钠。结果表明，容量可以与当今的锂离子电池相匹配。

尽管锂离子电池在储能方面效果很好，但锂是一种昂贵的金属，其长期供应和导致的环境问题令人担忧。另一方面，钠是一种丰富的低成本金属，是海水的主要成分。这使得钠离子电池成为一种有趣且可持续的替代方案，可减少我们对关键原材料的需求。然而，钠离子电池面临的主要挑战是如何提升容量。

在目前的性能水平上，钠离子电池无法与锂离子电池竞争。一个限制因素是石墨，它由石墨烯的堆叠层组成，用作当今锂离子电池的负极材料。离子通过在石墨层间进出完成储能的过程。钠离子比锂离子大并且表面特性不同，因此，它们不能有效地储存在石墨结构中。但是查尔姆斯理工大学的研究人员想出了一种新的方法来解决这个问题。“我们在石墨烯层的一侧添加了一个分子间隔物。当这些层堆叠在一起时，这些分子会在石墨烯片之间产生更大的空间并提供一个相互作用点，从而显著提高容量，”该项研究的作者说。

十倍于标准石墨的能量容量

通常，标准石墨中可以嵌入的钠离子容量约为每克 35 毫安时 (mAh g-1)。这不到石墨中锂离子嵌入容量的十分之一。使用新型石墨烯，钠离子的比容量为每克332毫安时——接近石墨中锂离子的容量。实验结果还显示这种新型材料还具有完全可逆性和高循环稳定性。

“当我们观察到如此高容量的钠离子嵌入时，真的很令人兴奋。这项研究仍处于早期阶段，但结果非常有希望。这表明可以设计出适合钠离子电池的有序结构的石墨烯负极材料，使其容量与石墨相当，”查尔姆斯大学物理系的 Aleksandar Matic 教授说。

新型石墨烯在相对的两个面上具有不对称的化学官能化，因此通常被称为 Janus 石墨烯，以古罗马的双面神 Janus 命名。Janus是罗马神话中的门神，具有两个面孔，是起源神，象征开始。之所以用Janus命名是希望这种石墨烯材料可能为高容量钠离子电池打开大门。“我们的 Janus 材料离工业应用还很远，但新的结果表明我们可以设计超薄石墨烯片——以及它们之间的微小空间——用于高容量储能。我们很高兴提出一个具有成本效益、丰富且可持续的金属纳离子电池的概念，”查尔默斯工业与材料科学系附属教授 Vincenzo Palermo 说。

关于材料的更多信息：具有独特结构的 Janus 石墨烯

研究中使用的材料具有独特的人造纳米结构。每个石墨烯片的上表面都有一个分子，作为钠离子的间隔物和活性相互作用位点。两个堆叠石墨烯片之间的每个分子通过共价键连接到下部石墨烯片，并通过静电相互作用与上部石墨烯片相互作用。石墨烯层还具有均匀的孔径、可控的功能化密度和很少的边缘。