查尔姆斯理工大学采用新型石墨烯 使钠离子电池的容量提高10倍

不论是形成用作热开关的特殊泡沫，还是与陶瓷混合形成超韧电解质，还是用于包裹精细的硅颗粒，石墨烯都在以一些有趣的方式塑造电池技术的未来。据外媒报道，瑞典科学家在可持续性钠电池中加入一种新型石墨烯材料，使电池容量增加了10倍。

（图片来源：查尔姆斯理工大学）

科学家们致力于寻找更好的新电池设计，并希望用储量丰富的钠来代替价格昂贵且储量少的锂。类似于锂离子电池，在钠离子电池中，离子通过电解液在两个电极之间移动，从而产生电力。然而，就目前的情况而言，其性能还不尽如人意。

部分原因在于，与锂离子相比，钠离子的体积过大，无法很好地适应含有堆叠石墨烯层的石墨电极。正常情况下，在电池循环的插层过程中，离子会自由地进出石墨电极，但是大量的钠离子无法在该结构中有效存储。这极大地影响了钠离子电池的性能，其容量约为35mAh/g，仅达到锂离子电池的十分之一。

为了寻找解决这一问题的解决方案，查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员着眼于一种具有特殊性质的新型石墨烯。这种Janus石墨烯，以罗马神话中的两面神命名，其特点是在两个相对面上具有不对称的化学官能化（chemical functionalisation）。同时，仅存在材料一侧的分子，既充当间隔物，又充当钠离子的相互作用活性位点。

在这种情况下，仅存在于石墨烯材料的一个面上的分子，可以促进堆叠片材之间的静电相互作用，同时在它们之间创造更多的空间。该研究团队发现，这有助于显著提升容量。研究人员Jinhua Sun表示：“我们在石墨烯层的一侧添加了分子间隔物，当各层堆叠在一起时，分子在石墨烯片之间形成更大的空间，并提供相互作用点，从而使容量显著增加。”

通过使用创新Janus石墨烯来代替石墨，实验钠离子电池的容量可达到332 mAh/g。这比传统设计大约高出10倍，接近石墨中的锂容量。研究人员表示，这项研究仍处于早期阶段，但其结果富有前景。这表明有可能设计出适合钠离子的有序结构石墨烯层，使其可与石墨相媲美。