Alla ricerca di uno stoccaggio energetico sostenibile, ricercatori della Chalmers University of Technology, Svezia, presentare un nuovo concetto per fabbricare materiali per elettrodi ad alte prestazioni per batterie al sodio. Si basa su un nuovo tipo di grafene per immagazzinare uno degli ioni metallici più comuni ed economici al mondo:il sodio. I risultati mostrano che la capacità può eguagliare le attuali batterie agli ioni di litio.

Anche se gli ioni di litio funzionano bene per l'accumulo di energia, il litio è un metallo costoso con preoccupazioni per quanto riguarda la sua fornitura a lungo termine e problemi ambientali.

Sodio, d'altra parte, è un abbondante metallo a basso costo, e un ingrediente principale nell'acqua di mare (e nel sale da cucina). Ciò rende le batterie agli ioni di sodio un'alternativa interessante e sostenibile per ridurre il nostro fabbisogno di materie prime critiche. Però, una delle sfide principali è aumentare la capacità.

Al livello attuale delle prestazioni, le batterie agli ioni di sodio non possono competere con le celle agli ioni di litio. Un fattore limitante è la grafite, che è composto da strati sovrapposti di grafene, e utilizzato come anodo nelle odierne batterie agli ioni di litio.

Gli ioni si intercalano nella grafite, il che significa che possono entrare e uscire dagli strati di grafene ed essere immagazzinati per il consumo di energia. Gli ioni di sodio sono più grandi degli ioni di litio e interagiscono in modo diverso. Perciò, non possono essere immagazzinati in modo efficiente nella struttura della grafite. Ma i ricercatori di Chalmers hanno escogitato un nuovo modo per risolverlo.

"Abbiamo aggiunto un distanziatore molecolare su un lato dello strato di grafene. Quando gli strati sono impilati insieme, la molecola crea uno spazio maggiore tra i fogli di grafene e fornisce un punto di interazione, che porta ad una capacità significativamente maggiore, " afferma il ricercatore Jinhua Sun presso il Dipartimento di Scienze Industriali e dei Materiali di Chalmers e primo autore dell'articolo scientifico, pubblicato in Progressi scientifici.

Dieci volte la capacità energetica della grafite standard

Tipicamente, la capacità di intercalazione del sodio nella grafite standard è di circa 35 milliampere ore per grammo (mA h g ^-1 ). Questo è meno di un decimo della capacità di intercalazione degli ioni di litio nella grafite. Con il nuovo grafene la capacità specifica per gli ioni sodio è di 332 milliampere ore per grammo, avvicinandosi al valore del litio nella grafite. I risultati hanno anche mostrato una piena reversibilità e un'elevata stabilità del ciclo.

"È stato davvero emozionante osservare l'intercalazione degli ioni di sodio con una capacità così elevata. La ricerca è ancora in una fase iniziale, ma i risultati sono molto promettenti. Ciò dimostra che è possibile progettare strati di grafene in una struttura ordinata che si adatti agli ioni di sodio, rendendolo paragonabile alla grafite, " afferma il professor Aleksandar Matic del Dipartimento di Fisica di Chalmers.

Il grafene "divino" Janus apre le porte alle batterie sostenibili

Lo studio è stato avviato da Vincenzo Palermo nel suo precedente ruolo di vicedirettore della Graphene Flagship, un progetto finanziato dalla Commissione Europea coordinato dalla Chalmers University of Technology.

Il nuovo grafene ha una funzionalizzazione chimica asimmetrica su facce opposte ed è quindi spesso chiamato Janus grafene, dopo l'antico dio romano bifronte Giano, il Dio dei nuovi inizi, associato a porte e cancelli, e i primi passi di un viaggio. In questo caso il Janus grafene si correla bene con la mitologia romana, potenzialmente aprendo le porte alle batterie agli ioni di sodio ad alta capacità.

"Il nostro materiale Janus è ancora lontano dalle applicazioni industriali, ma i nuovi risultati mostrano che possiamo progettare i fogli di grafene ultrasottili e il minuscolo spazio tra di loro per lo stoccaggio di energia ad alta capacità. Siamo molto felici di presentare un concetto con un rapporto costo-efficacia, metalli abbondanti e sostenibili, "dice Vincenzo Palermo, Professore affiliato presso il Dipartimento di Scienze Industriali e dei Materiali di Chalmers.

Maggiori informazioni sul materiale:Janus grafene con una struttura unica

Il materiale utilizzato nello studio ha una nanostruttura artificiale unica. La faccia superiore di ogni foglio di grafene ha una molecola che funge sia da distanziatore che da sito di interazione attivo per gli ioni sodio. Ogni molecola tra due fogli di grafene impilati è collegata da un legame covalente al foglio di grafene inferiore e interagisce attraverso interazioni elettrostatiche con il foglio di grafene superiore. Gli strati di grafene hanno anche una dimensione dei pori uniforme, densità di funzionalizzazione controllabile, e pochi bordi.