Natrium är en av världens vanligaste och mest prisvärda metaller. Nu visar Chalmersforskare en väg framåt för att göra natriumjonbatterier som kapacitetsmässigt kan matcha dagens litiumjonbatterier. Med hjälp av en ny typ av grafen kan natriumjonerna - i grönt effektivt kan lagra energi. Bild: Marcus Folino och Yen Strandqvist/Chalmers tekniska högskola

Forskare på Chalmers har tagit fram en ny sorts grafen genom att lägga till molekyler. De kallar det janusgrafen. Med hjälp av janusgrafen har de lyckats skapa ett elektrodmaterial som gör att natriumjonbatterier kan få så hög kapacitet att de kan matcha dagens litiumjonbatterier.

För med dagens teknik kan natriumjonbatterier inte konkurrera med litiumjonceller. En begränsande faktor är att den ena batteripolen, anoden, utgörs av grafit, som är staplade lager av grafen, förklarar Chalmers och berättar vidare:

De elektriskt laddade partiklarna, jonerna, rör sig in och ut mellan grafenskikten och lagrar energi. Natriumjoner är större än litiumjoner och beter sig även lite annorlunda. Det gör att de inte kan lagra energi på ett effektivt sätt i den grafitstruktur som finns i dagens litiumjonbatterier.

Det är här janusgrafen kommer in.

Grafen är ett ultratunt material som består av kolatomer. Janusgrafen har en konstgjord nanostruktur som består av staplade grafenark med molekyler emellan. Dessa molekyler fungerar som distansklossar mellan arken och skapar ett utrymme som låter natriumjonerna växelverka för att effektivt kunna lagra in energi.  

– 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. När lagren staplas skapar molekylen ett avstånd mellan skikten, vilket resulterar i en betydligt högre kapacitet, säger forskaren Jinhua Sun vid institutionen för industri- och materialvetenskap vid Chalmers.

Och så beskrivs resultatet:

Som regel är kapaciteten för natriuminlagring i elektrodens grafit mindre än en tiondel av kapaciteten för litiumjoninlagring i grafit. När janusgrafen används istället för grafit närmar sig den specifika kapaciteten värdet för litium i grafit. Resultaten visade också på hög stabilitet vid upp- och urladdning, berättar forskarna.

– Det är riktigt spännande att se natriumjoninlagring med så hög kapacitet. Detta visar att det är möjligt att designa grafenskikt i en ordnad struktur som passar natriumjoner, vilket gör det jämförbart med grafit. Forskningen är fortfarande i ett tidigt skede, men resultaten är mycket lovande, säger professor Aleksandar Matic vid institutionen för fysik vid Chalmers.

– Vi är mycket glada över att presentera ett koncept med kostnadseffektiva och miljömässigt hållbara metaller, avslutar Vincenzo Palermo, affilierad professor vid institutionen för industri- och materialvetenskap vid Chalmers.