Grafen höjer kapaciteten i natriumjonbatterier

2021-08-27 11:11  

Natriumjonbatterier blir allt hetare - men än så länge har de svårt att matcha de bästa litiumjonbatterierna. Nu visar grundforskning på Chalmers att kapaciteten kan höjas med hjälp av grafen.

Natrium är en av världens vanligaste metaller och relativt billig. Det är en orsak till att natriumjonbatterier ses som en lovande konkurrent till dagens litiumjonbatterier. Metallen litium är dyr och riskerar att bli en bristvara. 

Själva tekniken i natriumjonbatterier är mycket lik den i litiumjonbatterier. Men i stället för litiumjoner är det natriumjoner som är energibärarna som vandrar mellan anod och katod.  

Det stora problemet för natriumjonbatterier är energilagringskapaciteten. En av komponenterna som begränsar är anoden. I litiumjonbatterier används grafit, men det fungerar inte med natriumjoner eftersom de är större än litiumjoner och beter sig lite annorlunda.  

I experiment med natriumjonbatterier har därför andra former av kol använts i anoden. Men generellt har det varit svårt att få jonerna att röra sig snabbt i anodmaterialet och stanna kvar där.

Molekylen håller upp dörren för natriumjonena

En grupp forskare, ledda från Chalmers, har kommit fram till att en särskild typ av grafen, så kallad Janusgrafen, kan hjälpa till att höja natriumjonbatteriets prestanda. Janusgrafen består av staplade grafenskikt som hålls isär av molekyler emellan skikten. I det här fallet har aminobensenmolekyler använts.  

Dessa molekyler fungerar som distansklossar, som så att säga håller upp dörren för natriumjonerna. På så sätt blir det lättare för natriumjonerna att röra sig i anodmaterialet.

Den typ av grafen som används i studien kallas Janusgrafen. Materialet har en unik konstgjord nanostruktur som består av staplade grafenark med molekyler emellan. Dessa molekyler fungerar som distansklossar mellan arken och skapar ett utrymme som låter natriumjonerna (i grönt) växelverka för att effektivt kunna lagra in energi. Foto: Yen Strandqvist/Chalmers tekniska högskola

– För att skapa ett bra interaktionsutrymme för natriumjonerna har vi lagt till en molekyl på ena sidan av varje grafenlager och därmed skapat ett nytt material av typen Janusgrafen, säger forskaren Jinhua Sun på Chalmers, i ett pressmeddelande

Som regel är energilagringskapaciteten för natriuminlagring i grafit bara cirka 35 milliamperetimmar per gram. Det är mindre än en tiondel av kapaciteten för litiumjoninlagring i grafit.  

När Janusgrafen användes i stället för grafit blev den specifika kapaciteten i stället 332 milliamperetimmar per gram, vilket är närmare värdet för litium i grafit, som är runt 370 milliamperetimmar per gram. 

”Vi kunde se att urladdningen var helt reversibel”

Vad resultatet skulle bli för en hel battericell av natriumjontyp är dock oklart. Forskargruppen har inte byggt en hel cell och inte ens en hel anod, utan endast utfört tester på en mindre del av anodmaterialet.  

– Jämfört med det kol man använder i natriumjonbatteriers anoder i dag ökar energilagringskapaciteten väldigt mycket, men det är bara en av delarna i batteriet. Jag skulle inte våga mig på en gissning på hur mycket högre energitäthet du i slutänden kan få i battericellen, men det blir bättre, säger Aleksandar Matic, professor på Chalmers, till Ny Teknik.

Med hjälp av en ny typ av grafen har Chalmersforskare lyckats skapa ett elektrodmaterial som gör att natriumjonbatterier kan få högre kapacitet. Foto: Marcus Folino/Chalmers tekniska högskola

I studien har anodmaterialet laddats och laddats ur i totalt tio cykler, vilket är en mycket kort tid jämfört med de tusentals cykler som ett kommersiellt batteri förväntas klara. Men under den tiden såg forskarna att materialet var stabilt. 

– Det är viktigt att betona att det här är grundforskning på ett väldigt tidigt stadium. Men vi såg att materialet i sig var stabilt på den skalan. Man kunde ha varit rädd för att molekylerna som fungerar som distansklossar skulle påverkas över cyklerna så att strukturen föll sönder. Men vi fick tillbaka samma struktur och kunde se att urladdningen var helt reversibel, säger Aleksandar Matic. 

Han tycker att den viktigaste upptäckten är att det går att designa grafenskikt i en ordnad struktur som passar natriumjoner. 

”Vi borde kunna göra celler med högre energitäthet”

Än så länge finns ingen storskalig tillverkning av natriumjonbatterier på marknaden, men tekniken blir allt hetare. Nyligen meddelade den kinesiska batterijätten Catl sina planer på att börja tillverka batteritypen för fordon och i Storbritannien tycks företaget Faradion vara nära tillverkning via licens. I Sverige jobbar Uppsalabolaget Altris på att bli katodmaterialtillverkare för natriumjonbatterier.  

Catl har inte avslöjat alla detaljer om sitt natriumjonbatteri, men säger sig satsa på en egenutvecklad anod av hårt kol med en porös struktur.  

– Jag skulle tro att vårt anodmaterial har en högre specifik energilagringskapacitet. Så vi borde kunna göra celler med en högre energitäthet. Men man får komma ihåg att just nu är vårt material handgjort, medan Catl har ett kommersiellt material. Och deras är billigt, misstänker jag, säger Aleksandar Matic. 

Forskargruppen omfattar flera forskare från Chalmers samt Tyskland och Italien. Resultaten har publicerats i Science Advances.  

Aleksandar Matic hoppas att Chalmersforskarna framöver ska få möjlighet att undersöka om liknande grafenstrukturer kan förbättra även andra batterikemier som pekas ut som möjliga utmanare till litiumjonbatteriet, till exempel magnesiumbatterier och kaliumbatterier. 

Grafen

Grafen är ett ultratunt material som består av kolatomer. Upptäckten har belönats med Nobelpriset. 

Den typ av grafen som användes i studien kallas Janusgrafen. Materialet har en unik konstgjord nanostruktur som består av staplade grafenark med molekyler emellan. 

Janusgrafen har asymmetriska ytor och är uppkallat efter den forntida romerska guden Janus som hade två ansikten. Guden förknippades med nystart och med att öppna dörrar och portar. 

Linda Nohrstedt

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt