Le sodium est l'un des métaux les plus abondants et les plus abordables au monde. Aujourd'hui chercheurs à l'Université de technologie Chalmers, Suède, présentent un concept qui permet aux batteries sodium-ion d'égaler la capacité des batteries lithium-ion d'aujourd'hui. En utilisant un nouveau type de graphène, ils ont empilé des feuilles de graphène spécialement conçues avec des molécules entre les deux. Le nouveau matériau permet aux ions sodium (en vert) de stocker efficacement l'énergie. Crédit :Marcus Folino et Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
Dans la recherche d'un stockage durable de l'énergie, chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, présentent un nouveau concept de fabrication de matériaux d'électrodes hautes performances pour les batteries au sodium. Il est basé sur un nouveau type de graphène pour stocker l'un des ions métalliques les plus courants et les moins chers au monde, le sodium. Les résultats montrent que la capacité peut correspondre aux batteries lithium-ion d'aujourd'hui.
Même si les ions lithium fonctionnent bien pour le stockage d'énergie, le lithium est un métal cher avec des préoccupations concernant son approvisionnement à long terme et les problèmes environnementaux.
Sodium, d'autre part, est un métal bon marché abondant, et un ingrédient principal dans l'eau de mer (et dans le sel de cuisine). Cela fait des batteries sodium-ion une alternative intéressante et durable pour réduire nos besoins en matières premières critiques. Cependant, l'un des principaux défis est d'augmenter la capacité.
Au niveau de performance actuel, Les batteries sodium-ion ne peuvent rivaliser avec les cellules lithium-ion. Un facteur limitant est le graphite, qui est composé de couches empilées de graphène, et utilisé comme anode dans les batteries lithium-ion d'aujourd'hui.
Les ions s'intercalent dans le graphite, ce qui signifie qu'ils peuvent entrer et sortir des couches de graphène et être stockés pour la consommation d'énergie. Les ions sodium sont plus gros que les ions lithium et interagissent différemment. Par conséquent, ils ne peuvent pas être stockés efficacement dans la structure en graphite. Mais les chercheurs de Chalmers ont trouvé une nouvelle façon de résoudre ce problème.
Le matériau utilisé dans l'étude a une nanostructure artificielle unique. La face supérieure de chaque feuille de graphène a une molécule qui agit à la fois comme espaceur et site d'interaction actif pour les ions sodium. Chaque molécule entre deux feuilles de graphène empilées est reliée par une liaison covalente à la feuille de graphène inférieure et interagit par le biais d'interactions électrostatiques avec la feuille de graphène supérieure. Les couches de graphène ont également une taille de pores uniforme, densité de fonctionnalisation contrôlable, et peu de bords. Crédit :Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
"Nous avons ajouté un espaceur de molécule sur un côté de la couche de graphène. Lorsque les couches sont empilées, la molécule crée un espace plus grand entre les feuilles de graphène et fournit un point d'interaction, ce qui conduit à une capacité nettement plus élevée, " déclare le chercheur Jinhua Sun au Département des sciences industrielles et des matériaux de Chalmers et premier auteur de l'article scientifique, Publié dans Avancées scientifiques.
Dix fois la capacité énergétique du graphite standard
Typiquement, la capacité d'intercalation du sodium dans le graphite standard est d'environ 35 milliampères-heures par gramme (mA h g -1 ). C'est moins d'un dixième de la capacité d'intercalation lithium-ion dans le graphite. Avec le nouveau graphène, la capacité spécifique des ions sodium est de 332 milliampères-heures par gramme, approchant la valeur du lithium dans le graphite. Les résultats ont également montré une réversibilité totale et une stabilité élevée en cyclage.
"C'était vraiment excitant d'observer l'intercalation sodium-ion avec une capacité aussi élevée. La recherche en est encore à ses débuts, mais les résultats sont très prometteurs. Cela montre qu'il est possible de concevoir des couches de graphène dans une structure ordonnée qui convient aux ions sodium, le rendant comparable au graphite, " déclare le professeur Aleksandar Matic du Département de physique de Chalmers.
Le graphène « divin » Janus ouvre les portes des batteries durables
L'étude a été initiée par Vincenzo Palermo dans son rôle précédent de vice-directeur du Graphene Flagship, un projet financé par la Commission européenne et coordonné par Chalmers University of Technology.
Chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, présentent un nouveau concept de fabrication de matériaux d'électrode haute performance pour les batteries sodium-ion. Il est basé sur un nouveau type de graphène pour stocker l'un des ions métalliques les plus courants et les moins chers au monde - le sodium. Les résultats montrent que la capacité peut correspondre aux batteries lithium-ion actuelles. Crédit :Marcus Folino/Université de technologie de Chalmers
Le nouveau graphène a une fonctionnalisation chimique asymétrique sur des faces opposées et est donc souvent appelé graphène Janus, après l'ancien dieu romain à deux visages Janus, le dieu des nouveaux commencements, associés aux portes et portails, et les premiers pas d'un voyage. Dans ce cas, le graphène Janus correspond bien à la mythologie romaine, ouvrant potentiellement la porte aux batteries sodium-ion de grande capacité.
« Notre matériau Janus est encore loin des applications industrielles, mais les nouveaux résultats montrent que nous pouvons concevoir les feuilles de graphène ultrafines - et le petit espace entre elles - pour un stockage d'énergie de grande capacité. Nous sommes très heureux de vous présenter un concept économique, métaux abondants et durables, " dit Vincenzo Palerme, Professeur affilié au Département des sciences industrielles et des matériaux de Chalmers.
En savoir plus sur le matériau :le graphène Janus avec une structure unique
Le matériau utilisé dans l'étude a une nanostructure artificielle unique. La face supérieure de chaque feuille de graphène a une molécule qui agit à la fois comme espaceur et site d'interaction actif pour les ions sodium. Chaque molécule entre deux feuilles de graphène empilées est reliée par une liaison covalente à la feuille de graphène inférieure et interagit par le biais d'interactions électrostatiques avec la feuille de graphène supérieure. Les couches de graphène ont également une taille de pores uniforme, densité de fonctionnalisation contrôlable, et peu de bords.
