Натрий-ионные батареи получили импульс в развитии в виде композитной бумаги из графеновых нано-листов.

Натрий-ионные батареи теперь на один шаг приблизились к воплощению в реальность, благодаря новому исследованию Канзасского государственного университета, в результате которого была создана новая композитная бумага на основе графеновых нано-листов, выполняющая роль катода в натрий-ионных аккумуляторных батареях.

«Прорыв», так исследователи назвали свое изобретение, основан на использовании материала, созданного из слоев дисульфида молибдена и графеновых нано-листов, которые чередуются между собой. И это первое исследование, которое показывает, что такая бумага может функционировать как активный материал, эффективно накапливающий атомы натрия, так и в качестве гибкого токопреемника.

«В основном материалы, из которых изготавливаются отрицательные электроды натрий-ионных аккумуляторов, подвержены реакциям "легирования" с натрием», пояснил исследователь Гурприт Сингх, доцент кафедры механической и ядерной энергетики. «Эти материалы могут расширяться на 400-500 %, и процессы заряда и разряда батареи могут сопровождаться механическими повреждениями потерей контакта с накопителем тока».

«Основной компонент нового электрода, дисульфид молибдена, предлагает новый вид химической реакции с ионами натрия, в которой сочетаются интеркалирование (чередование прослоек) и реакция конверсионного типа», продолжил Гурприт Сингх. «Бумажный электрод предлагает стабильную мощность заряда 230 мАч.g-1 по сравнению с полной массой электрода. Более того тонкопереслаивающаяся и пористая структура электрода из композитной бумаги предполагает гладкие каналы для диффундирования натрия внутрь и наружу, так как ячейка батареи быстро заряжается и разряжается. Разработанная конструкция не предусматривает полимерные составляющие и токоприемную фольгу из меди, которые традиционно используются в электродах аккумуляторов».

Канзасский государственный университет предусматривает даже больше:

В новейшем исследовании сотрудники разработали бумагу большой площади, структура которой состоит из перемежающихся слоев кислотно-обработанного слоистого дисульфида молибдена и графена, модифицированного химически. Эта работа показывает, что впервые такой гибкий бумажный электрод, используемый в натрий-ионной батарее в качестве анода, эксплуатируется при бытовых температурах. В то время как все продаваемые натрий-серные батареи эксплуатируются лишь при высоким температурах (около 300-х градусов Цельсия)» – отмечает Сингх.

Он также назвал две важные причины проведения этого исследования:

1. Синтез одно- или несколько-слойных двумерных компонентов помогает понять реальные возможности переходных металлических дихалькогениды (TMD – transitionmetaldichalcogenides) и графена для их использования в коммерческих целях.

2. Базисное понимание накопления натрия в слоистом материале через механизмы, отличные от обычных реакций интеркалирования и легирования. Кроме того, использование графена в качестве гибкого электрода и токоприемника крайне важно для изъятия медной фольги и создания более легких и гибких перезаряжаемых аккумуляторов. Объем запасов натрия существенно больше запасов лития, поэтому ожидается, что аккумуляторные батареи будут стоить дешевле.

«Также мы увидели, что переходные металлические дихалькогениды отслаиваются в сильных кислотах» – заявил Сингх. «Данный метод позволит нам синтезировать нужное количество листов несколько-слойного дисульфида молибдена, что является крайне важным для гибких батарей, суперконденсаторов и полимерных композитных материалов».

Исполнители исследовательской работы в настоящее время коммерциализируют новую технологию и продолжают изучать возможности накопления лития и натрия другими наноматериалами.

Оксана Вершинина для ecoafisha.ru