In hun zoektocht naar duurzame energieopslag presenteren onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden een nieuw concept voor de fabricage van hoogwaardige elektrodematerialen voor natriumbatterijen. Het is gebaseerd op een nieuw type grafeen voor de opslag van een van ‘s werelds meest voorkomende en goedkope metaalionen – natrium. De resultaten tonen aan dat de capaciteit kan wedijveren met die van de huidige lithium-ionbatterijen.
Hoewel lithium-ionen goed werken voor energieopslag, is lithium een duur metaal met zorgen over de levering op lange termijn en milieuproblemen.
Natrium daarentegen is een overvloedig goedkoop metaal, en een hoofdbestanddeel van zeewater (en keukenzout). Dit maakt natrium-ionbatterijen tot een interessant en duurzaam alternatief om onze behoefte aan kritieke grondstoffen te verminderen. Een grote uitdaging is echter de capaciteit te verhogen.
Bij het huidige prestatieniveau kunnen natrium-ionbatterijen niet concurreren met lithium-ioncellen. Een beperkende factor is het grafiet, dat is opgebouwd uit gestapelde grafeenlagen, en dat wordt gebruikt als anode in de huidige lithium-ionbatterijen.
De ionen intercaleren in het grafiet, wat betekent dat zij in en uit de grafeenlagen kunnen bewegen en worden opgeslagen voor energiegebruik. Natriumionen zijn groter dan lithiumionen en hebben een andere wisselwerking. Daarom kunnen ze niet efficiënt worden opgeslagen in de grafietstructuur. Maar de Chalmers-onderzoekers hebben een nieuwe manier bedacht om dit op te lossen.
“We hebben een afstandhouder van moleculen toegevoegd aan één kant van de grafeenlaag. Wanneer de lagen op elkaar worden gestapeld, creëert het molecuul een grotere ruimte tussen de grafeenbladen en zorgt het voor een interactiepunt, wat leidt tot een aanzienlijk hogere capaciteit,” zegt onderzoeker Jinhua Sun van het Department of Industrial and Materials Science van Chalmers en eerste auteur van het wetenschappelijke artikel, gepubliceerd in Science Advances.
Tien keer de energiecapaciteit van standaardgrafiet
Normaal gesproken bedraagt de capaciteit van natriumintercalatie in standaardgrafiet ongeveer 35 milliampère-uur per gram (mA h g-1). Dit is minder dan een tiende van de capaciteit voor lithium-ionintercalatie in grafiet. Met het nieuwe grafeen bedraagt de specifieke capaciteit voor natriumionen 332 milliampère-uur per gram – wat dicht in de buurt komt van de waarde voor lithium in grafiet. De resultaten toonden ook volledige omkeerbaarheid en hoge cyclusstabiliteit.
“Het was echt opwindend toen we de natrium-ion intercalatie met zo’n hoge capaciteit waarnamen. Het onderzoek bevindt zich nog in een vroeg stadium, maar de resultaten zijn veelbelovend. Dit toont aan dat het mogelijk is om grafeenlagen te ontwerpen in een geordende structuur die geschikt is voor natriumionen, waardoor het vergelijkbaar is met grafiet,” zegt professor Aleksandar Matic van het Department of Physics van Chalmers.
Janusgrafeen opent deuren naar duurzame batterijen
De studie is opgezet door Vincenzo Palermo in zijn vorige functie als vice-directeur van het Graphene Flagship, een door de Europese Commissie gefinancierd project dat wordt gecoördineerd door de Chalmers University of Technology.
Het nieuwe grafeen heeft asymmetrische chemische functionalisering op tegengestelde vlakken en wordt daarom vaak Janusgrafeen genoemd, naar de twee-gezichten oude Romeinse god Janus – de god van het nieuwe begin, geassocieerd met deuren en poorten, en de eerste stappen van een reis. In dit geval sluit het Janus-grafeen goed aan bij de Romeinse mythologie en opent het mogelijk deuren naar natrium-ionbatterijen met hoge capaciteit.
“Ons Janus-materiaal is nog ver verwijderd van industriële toepassingen, maar de nieuwe resultaten tonen aan dat we de ultradunne grafeenvellen – en de minuscule ruimte ertussen – kunnen ontwikkelen voor energieopslag met hoge capaciteit. We zijn erg blij dat we een concept kunnen presenteren met kostenefficiënte, overvloedige en duurzame metalen,” zegt Vincenzo Palermo, geassocieerd hoogleraar aan het departement industriële en materiaalwetenschappen van Chalmers.
Meer over het materiaal: Janusgrafeen met een unieke structuur
Het materiaal dat in de studie werd gebruikt, heeft een unieke kunstmatige nanostructuur. Aan de bovenzijde van elke grafeenlaag bevindt zich een molecule die zowel als afstandhouder als actieve interactieplaats voor de natriumionen fungeert. Elk molecuul tussen twee gestapelde grafeenlagen is door een covalente binding verbonden met de onderste grafeenlaag en interageert via elektrostatische interacties met de bovenste grafeenlaag. De grafeenlagen hebben ook een uniforme poriegrootte, controleerbare functionalisatiedichtheid en weinig randen.
Meer over het onderzoek:
Het wetenschappelijke artikel “Real-time imaging of Na+ reversible intercalation in “Janus” graphene stacks for battery applications” is gepubliceerd in Science Advances en is geschreven door Jinhua Sun, Matthew Sadd, Philip Edenborg, Henrik Grönbeck, Peter H. Thiesen, Zhenyuan Xia, Vanesa Quintano, Ren Qiu, Aleksandar Matic en Vincenzo Palermo.
De onderzoekers zijn werkzaam bij het departement industriële en materiaalwetenschappen, het departement fysica en het competentiecentrum voor katalyse van de Chalmers University of Technology, Zweden, Accurion GmbH, Duitsland en het Institute of Organic Synthesis and Photoreactivity (ISOF) van de Nationale Onderzoeksraad van Italië.
Het onderzoeksproject heeft financiering ontvangen van het Horizon 2020-onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie in het kader van GrapheneCore3 881603-Graphene Flagship, het FLAG-ERA-project PROSPECT, de Chalmers Foundation en de Zweedse Onderzoeksraad. De berekeningen zijn uitgevoerd bij C3SE (Göteborg, Zweden) via een SNIC-subsidie. Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd bij Myfab Chalmers en het Chalmers laboratorium voor materiaalanalyse.
