Les batteries sodium-ion ont le potentiel de remplacer les batteries lithium-ion actuellement utilisées en utilisant la ressource en sodium la moins chère (moins d'un trentième du coût du lithium) et la plus abondante. Cela a un potentiel particulier en Arabie saoudite, où le sodium est facilement disponible et facilement extrait en tant que sous-produit du dessalement de l'eau, une importante source d'eau potable dans le pays.

Pourtant du graphite normal, le matériau d'anode dominant dans les batteries lithium-ion, a du mal à stocker ou à intercaler les ions sodium car les ions sodium sont plus gros que les ions lithium. Le carbone dur est un type de graphite désordonné qui peut stocker plus d'ions sodium, augmentant ainsi la capacité de la batterie. Le problème est que la fabrication de carbone dur nécessite des températures de près de 1000°C.

L'équipe KAUST dirigée par Husam Alshareef a développé un processus utilisant un simple laser de paillasse pour fabriquer du carbone dur tridimensionnel directement sur des collecteurs en cuivre sans températures excessives ni étapes de revêtement supplémentaires.

L'équipe a formé une feuille de polymère (polyimide contenant de l'urée) sur du cuivre, puis a exposé cette feuille à une forte lumière laser. En introduisant de l'azote gazeux pendant le processus, l'équipe pourrait remplacer certains des atomes de carbone par des atomes d'azote, atteindre un niveau d'azote extrêmement élevé (13 pour cent atomique), ce qui est inaccessible par d'autres techniques. Ainsi, le graphène tridimensionnel était plus conducteur, avait élargi l'espacement atomique, et était directement lié aux collecteurs de courant en cuivre, éliminant le besoin d'étapes de traitement supplémentaires.

"Nous voulions trouver un moyen de fabriquer des carbones durs tridimensionnels sans avoir à chauffer excessivement nos échantillons. De cette façon, nous pourrions former le carbone dur directement sur des collecteurs en cuivre, " a déclaré Fan Zhang, un doctorat étudiant dans le groupe d'Alshareef.

Les chercheurs du KAUST ont fabriqué des batteries sodium-ion en utilisant leur matériau d'anode formé au laser. Leur appareil a présenté une efficacité coulombique qui dépasse la plupart des anodes carbonées signalées, tels que le carbone dur et mou, et une capacité sodium-ion meilleure que la plupart des anodes de carbone précédentes dans les batteries sodium-ion.

"J'ai aimé apprendre de chaque membre du groupe du professeur Alshareef, surtout Fan Zhang, qui était mon mentor le plus proche, " dit Eman Alhajji, un stagiaire du KAUST Gifted Student Program (KGSP) et un étudiant actuel de premier cycle à la North Carolina State University, ETATS-UNIS. Eman rejoindra le groupe en tant que doctorant. étudiant à l'automne prochain.

"Zhang et Alhajji ont donné un exemple admirable de collaboration productive entre les étudiants diplômés de la KAUST et les stagiaires invités du KGSP. Leur travail ouvre une nouvelle direction dans la recherche sur les batteries, qui peut être étendue à d'autres technologies de stockage d'énergie, " a déclaré Alshareef.