查爾姆斯理工大學(xué)采用新型石墨烯 使鈉離子電池的容量提高10倍
發(fā)布時間：2021-09-01 來源：蓋世汽車
不論是形成用作熱開關(guān)的特殊泡沫，還是與陶瓷混合形成超韌電解質(zhì)，還是用于包裹精細(xì)的硅顆粒，石墨烯都在以一些有趣的方式塑造電池技術(shù)的未來。據(jù)外媒報道，瑞典科學(xué)家在可持續(xù)性鈉電池中加入一種新型石墨烯材料，使電池容量增加了10倍。
（圖片來源：查爾姆斯理工大學(xué)）
科學(xué)家們致力于尋找更好的新電池設(shè)計，并希望用儲量豐富的鈉來代替價格昂貴且儲量少的鋰。類似于鋰離子電池，在鈉離子電池中，離子通過電解液在兩個電極之間移動，從而產(chǎn)生電力。然而，就目前的情況而言，其性能還不盡如人意。
部分原因在于，與鋰離子相比，鈉離子的體積過大，無法很好地適應(yīng)含有堆疊石墨烯層的石墨電極。正常情況下，在電池循環(huán)的插層過程中，離子會自由地進(jìn)出石墨電極，但是大量的鈉離子無法在該結(jié)構(gòu)中有效存儲。這極大地影響了鈉離子電池的性能，其容量約為35mAh/g，僅達(dá)到鋰離子電池的十分之一。
為了尋找解決這一問題的解決方案，查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）的研究人員著眼于一種具有特殊性質(zhì)的新型石墨烯。這種Janus石墨烯，以羅馬神話中的兩面神命名，其特點是在兩個相對面上具有不對稱的化學(xué)官能化（chemical functionalisation）。同時，僅存在材料一側(cè)的分子，既充當(dāng)間隔物，又充當(dāng)鈉離子的相互作用活性位點。
在這種情況下，僅存在于石墨烯材料的一個面上的分子，可以促進(jìn)堆疊片材之間的靜電相互作用，同時在它們之間創(chuàng)造更多的空間。該研究團隊發(fā)現(xiàn)，這有助于顯著提升容量。研究人員Jinhua Sun表示：“我們在石墨烯層的一側(cè)添加了分子間隔物，當(dāng)各層堆疊在一起時，分子在石墨烯片之間形成更大的空間，并提供相互作用點，從而使容量顯著增加?！?/p>
通過使用創(chuàng)新Janus石墨烯來代替石墨，實驗鈉離子電池的容量可達(dá)到332 mAh/g。這比傳統(tǒng)設(shè)計大約高出10倍，接近石墨中的鋰容量。研究人員表示，這項研究仍處于早期階段，但其結(jié)果富有前景。這表明有可能設(shè)計出適合鈉離子的有序結(jié)構(gòu)石墨烯層，使其可與石墨相媲美。
