Une équipe internationale de scientifiques de NUST MISIS, L'Académie russe des sciences et le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ont découvert qu'au lieu du lithium (Li), le sodium (Na) "empilé" d'une manière spéciale peut être utilisé pour la production de batteries. Les batteries au sodium seraient nettement moins chères et d'une capacité équivalente voire plus grande que les batteries au lithium existantes. Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Nano énergie .

Il est difficile d'exagérer le rôle des batteries lithium-ion dans la vie moderne. Ces batteries sont utilisées partout :dans les téléphones portables, ordinateurs portables, appareils photo, ainsi que dans divers types de véhicules et de vaisseaux spatiaux. Les batteries Li-ion sont entrées sur le marché en 1991, et en 2019, leurs inventeurs ont reçu le prix Nobel de chimie pour leur contribution révolutionnaire au développement de la technologie. À la fois, le lithium est un métal alcalin coûteux, et ses réserves sont globalement limitées. Actuellement, il n'y a pas d'alternative à distance efficace aux batteries lithium-ion. Du fait que le lithium est l'un des éléments chimiques les plus légers, il est très difficile de le remplacer pour créer des batteries de grande capacité.

L'équipe de scientifiques de NUST MISIS, Académie des sciences de Russie et Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, dirigé par le professeur Arkadiy Krashennikov, propose une alternative. Ils ont découvert que si les atomes à l'intérieur de l'échantillon sont "empilés" d'une certaine manière, alors les métaux alcalins autres que le lithium présentent également une intensité énergétique élevée. Le remplaçant le plus prometteur du lithium est le sodium (Na), puisqu'un arrangement à deux couches d'atomes de sodium dans un sandwich bigraphen démontre une capacité d'anode comparable à la capacité d'une anode en graphite conventionnelle dans des batteries Li-ion - environ 335 mA*h/g contre 372 mA*h/g pour le lithium. Cependant, le sodium est beaucoup plus commun que le lithium, et donc moins cher et plus facile à obtenir.

Une façon spéciale d'empiler des atomes consiste en fait à les placer les uns au-dessus des autres. Cette structure est créée en transférant des atomes d'un morceau de métal à l'espace entre deux feuilles de graphène sous haute tension, qui simule le processus de charge d'une batterie. À la fin, il ressemble à un sandwich constitué d'une couche de carbone, deux couches de métal alcalin, et une autre couche de carbone.

Ilya Chepkasov, chercheur au Laboratoire des Nanomatériaux Inorganiques NUST MISIS, dit, "Pendant longtemps, on croyait que les atomes de lithium dans les batteries ne peuvent être situés que dans une seule couche, sinon le système sera instable. Malgré cela, des expériences récentes de nos collègues allemands ont montré qu'avec une sélection rigoureuse des méthodes, il est possible de créer des structures de lithium stables multicouches entre des couches de graphène. Cela ouvre de larges perspectives pour augmenter la capacité de telles structures. Par conséquent, nous étions intéressés à étudier la possibilité de former des structures multicouches avec d'autres métaux alcalins, y compris le sodium, en utilisant la simulation informatique.

Zakhar Popov, chercheur senior au Laboratoire NUST MISIS des Nanomatériaux Inorganiques et RAS, dit, "Notre simulation montre que les atomes de lithium se lient beaucoup plus fortement au graphène, mais augmenter le nombre de couches de lithium conduit à moins de stabilité. La tendance inverse est observée dans le cas du sodium - à mesure que le nombre de couches de sodium augmente, la stabilité de telles structures augmente, nous espérons donc que de tels matériaux seront obtenus dans l'expérience."

La prochaine étape de l'équipe de recherche consiste à créer un échantillon expérimental et à l'étudier en laboratoire. Cela sera traité à l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide, Stuttgart, Allemagne. En cas de succès, cela pourrait conduire à une nouvelle génération de batteries Na qui seront nettement moins chères et équivalentes voire plus volumineuses que les batteries Li-ion.