Illustration över hur kemin ser ut i det nya materialet. Foto och illustration: Marcus Folino och Yen Strandqvist/Chalmers tekniska högskola

Av Martin Wanerholm den 31 augusti 2021 08:00

Med hjälp av en ny typ av grafen har Chalmersforskare lyckats skapa ett elektrodmaterial som gör att natriumjonbatterier kan få så hög kapacitet att de kan matcha dagens litiumjonbatterier.

Trots att litiumjoner fungerar bra för energilagring är metallen litium dyr och riskerar att bli en bristråvara. Natrium, å andra sidan, är en av världens vanligaste och mest prisvärda metaller. Det gör natriumjonbatterier till ett intressant och hållbart alternativ för att minska behovet av bristråvaror.

Den stora utmaningen är att lyckas höja batterikapaciteten.
Med dagens teknik kan natriumjonbatterier inte konkurrera med litiumjonceller. En begränsande faktor är att den ena batteripolen, anoden, utgörs av grafit, som är staplade lager av grafen.

De elektriskt laddade partiklarna, jonerna, rör sig in och ut mellan grafenskikten och lagrar energi. Natriumjoner är större än litiumjoner och beter sig även lite annorlunda. Det gör att de inte kan lagra energi på ett effektivt sätt i den grafitstruktur som finns i dagens litiumjonbatterier.
Där har Chalmersforskarna nu löst problemet med hjälp av den nya grafentypen. De har lagt till molekyler som fungerar som små distansklossar för att underlätta för jonerna.
– För att skapa ett bra interaktionsutrymme för natriumjonerna har vi lagt till en molekyl på ena sidan av varje grafenlager och därmed skapat ett nytt material av typen janusgrafen. När lagren staplas skapar molekylen ett avstånd mellan skikten, vilket resulterar i en betydligt högre kapacitet, säger forskaren Jinhua Sun vid institutionen för industri- och materialvetenskap vid Chalmers.

Som regel är kapaciteten för natriuminlagring i elektrodens grafit cirka 35 milliamperetimmar per gram (mAh g-1). Det är mindre än en tiondel av kapaciteten för litiumjoninlagring i grafit. När janusgrafen används istället för grafit blir den specifika kapaciteten istället 332 milliamperetimmar per gram..
Resultaten visade också på hög stabilitet vid upp- och urladdning.  
– Det är riktigt spännande att se natriumjoninlagring med så hög kapacitet. Detta visar att det är möjligt att designa grafenskikt i en ordnad struktur som passar natriumjoner, vilket gör det jämförbart med grafit. Forskningen är fortfarande i ett tidigt skede, men resultaten är mycket lovande, säger professor Aleksandar Matic vid institutionen för fysik vid Chalmers.