El grafeno aumenta hasta 10 veces la capacidad de las baterías de sodio

En la búsqueda de un almacenamiento de energía sostenible, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers presentan un nuevo concepto para fabricar materiales de electrodos de alto rendimiento para baterías de sodio. Se basa en un nuevo tipo de grafeno para almacenar uno de los iones metálicos más comunes y baratos del mundo: el sodio. Los resultados muestran que la capacidad puede igualar las baterías de iones de litio actuales.

A pesar de que los iones de litio funcionan bien para el almacenamiento de energía, el litio es un metal costoso con preocupaciones sobre su suministro a largo plazo y problemas ambientales.

El sodio, por otro lado, es un abundante metal de bajo costo y un ingrediente principal en el agua de mar (y en la sal de cocina). Esto hace que las baterías de iones de sodio sean una alternativa interesante y sostenible para reducir nuestra necesidad de materias primas críticas. Sin embargo, un desafío importante es aumentar la capacidad.

Con el nivel actual de rendimiento, las baterías de iones de sodio no pueden competir con las celdas de iones de litio. Un factor limitante es el grafito, que se compone de capas apiladas de grafeno y se utiliza como ánodo en las baterías de iones de litio actuales.

Los iones se intercalan en el grafito, lo que significa que pueden entrar y salir de las capas de grafeno y almacenarse para el uso de energía. Los iones de sodio son más grandes que los iones de litio e interactúan de manera diferente. Por lo tanto, no se pueden almacenar de manera eficiente en la estructura de grafito. Pero los investigadores de Chalmers han encontrado una forma novedosa de resolver esto.

“Hemos agregado un espaciador de moléculas en un lado de la capa de grafeno. Cuando las capas se apilan, la molécula crea un espacio más grande entre las hojas de grafeno y proporciona un punto de interacción, lo que conduce a una capacidad significativamente mayor ”, dice el investigador Jinhua Sun del Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales de Chalmers y primer autor de la investigación científica. artículo, publicado en Science Advances.

Diez veces la capacidad energética del grafito estándar

Normalmente, la capacidad de intercalación de sodio en grafito estándar es de aproximadamente 35 miliamperios hora por gramo (mA h g-1). Esto es menos de una décima parte de la capacidad de intercalación de iones de litio en grafito. Con el nuevo grafeno, la capacidad específica de iones de sodio es de 332 miliamperios hora por gramo, acercándose al valor del litio en el grafito. Los resultados también mostraron una reversibilidad total y una alta estabilidad de ciclismo.

“Fue realmente emocionante cuando observamos la intercalación de iones de sodio con una capacidad tan alta. La investigación aún se encuentra en una etapa inicial, pero los resultados son muy prometedores. Esto muestra que es posible diseñar capas de grafeno en una estructura ordenada que se adapte a los iones de sodio, haciéndolo comparable al grafito ”, dice el profesor Aleksandar Matic del Departamento de Física de Chalmers.

El estudio fue iniciado por Vincenzo Palermo en su cargo anterior como subdirector de Graphene Flagship, un proyecto financiado por la Comisión Europea y coordinado por la Universidad Tecnológica de Chalmers.

El novedoso grafeno tiene una funcionalización química asimétrica en caras opuestas y, por lo tanto, a menudo se le llama grafeno Jano, en honor al antiguo dios romano de dos caras, Jano, el Dios de nuevos comienzos, asociado con puertas y portones, y los primeros pasos de un viaje. En este caso, el grafeno de Janus se correlaciona bien con la mitología romana, lo que podría abrir puertas a las baterías de iones de sodio de alta capacidad.

“Nuestro material Janus todavía está lejos de las aplicaciones industriales, pero los nuevos resultados muestran que podemos diseñar las láminas de grafeno ultradelgadas, y el pequeño espacio entre ellas, para un almacenamiento de energía de alta capacidad. Estamos muy contentos de presentar un concepto con metales rentables, abundantes y sostenibles”, dice Vincenzo Palermo, profesor afiliado del Departamento de Ciencia Industrial y de Materiales de Chalmers.