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查尔姆斯理工大学采用新型石墨烯 使钠离子电池的容量提高10倍

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石墨烯联盟 2021-09-14 16:42

不论是形成用作热开关的特殊泡沫,还是与陶瓷混合形成超韧电解质,还是用于包裹精细的硅颗粒,石墨烯都在以一些有趣的方式塑造电池技术的未来。据外媒报道,瑞典科学家在可持续性钠电池中加入一种新型石墨烯材料,使电池容量增加了10倍。

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(图片来源:查尔姆斯理工大学)

科学家们致力于寻找更好的新电池设计,并希望用储量丰富的钠来代替价格昂贵且储量少的锂。类似于锂离子电池,在钠离子电池中,离子通过电解液在两个电极之间移动,从而产生电力。然而,就目前的情况而言,其性能还不尽如人意。

部分原因在于,与锂离子相比,钠离子的体积过大,无法很好地适应含有堆叠石墨烯层的石墨电极。正常情况下,在电池循环的插层过程中,离子会自由地进出石墨电极,但是大量的钠离子无法在该结构中有效存储。这极大地影响了钠离子电池的性能,其容量约为35mAh/g,仅达到锂离子电池的十分之一。

为了寻找解决这一问题的解决方案,查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的研究人员着眼于一种具有特殊性质的新型石墨烯。这种Janus石墨烯,以罗马神话中的两面神命名,其特点是在两个相对面上具有不对称的化学官能化(chemical functionalisation)。同时,仅存在材料一侧的分子,既充当间隔物,又充当钠离子的相互作用活性位点。

在这种情况下,仅存在于石墨烯材料的一个面上的分子,可以促进堆叠片材之间的静电相互作用,同时在它们之间创造更多的空间。该研究团队发现,这有助于显著提升容量。研究人员Jinhua Sun表示:“我们在石墨烯层的一侧添加了分子间隔物,当各层堆叠在一起时,分子在石墨烯片之间形成更大的空间,并提供相互作用点,从而使容量显著增加。”

通过使用创新Janus石墨烯来代替石墨,实验钠离子电池的容量可达到332 mAh/g。这比传统设计大约高出10倍,接近石墨中的锂容量。研究人员表示,这项研究仍处于早期阶段,但其结果富有前景。这表明有可能设计出适合钠离子的有序结构石墨烯层,使其可与石墨相媲美。

文章来源:公众号【盖世汽车新材料

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