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在寻找可持续能源存储的过程中，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（和厨房盐）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，一项主要挑战是增加容量。


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阳极。


离子嵌入石墨中，这意味着它们可以进出石墨烯层并被储存起来以供能源使用。钠离子比锂离子大并且相互作用不同。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，分子在石墨烯片之间创造了更大的空间并提供了一个相互作用点，从而显着提高了容量，”研究员孙金华说。查尔默斯工业和材料科学系，科学论文的第一作者，发表在《科学进展》上。


十倍于标准石墨的能量容量


通常，标准石墨中的钠嵌入容量约为每克 35 毫安小时 (mA hg -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——接近石墨中锂的值。结果还显示出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的有序结构的石墨烯层离子，使其与石墨相当，查尔默斯物理系的 Aleksandar Matic 教授说。



“神圣”石墨烯为可持续电池打开了大门


该研究由文森佐·巴勒莫 (Vincenzo Palermo) 发起，他之前担任石墨烯旗舰项目的副主任，这是一个由查尔姆斯理工大学协调的欧盟委员会资助项目。


新型石墨烯在相对的面上具有不对称的化学官能化，因此通常被称为 Janus 石墨烯，与门和门以及旅程的第一步有关。在这种情况下，Janus 石墨烯与罗马神话密切相关，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成本概念- 高效、丰富和可持续的金属，查尔默斯工业与材料科学系附属教授 Vincenzo Palermo 说。
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。所述石墨烯层也具有均匀的孔径，可控制官能化密度，而很少边缘。

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