經(jīng)過(guò)多年的期待，鈉離子電池開始兌現(xiàn)其儲(chǔ)能承諾。但到目前為止，它們的商業(yè)化僅限于大規(guī)模使用，例如在電網(wǎng)上存儲(chǔ)能量。鈉離子電池沒有電動(dòng)汽車和筆記本電腦所需的魅力。鋰離子電池的能量密度約為285Wh/kg，是鈉離子電池的兩倍，因此更適合那些便攜式應(yīng)用。

研究人員現(xiàn)在報(bào)告了一種新型石墨烯電極，可以將鈉電池的存儲(chǔ)容量提高到與鋰電池相媲美的水平。該材料可以填充幾乎與傳統(tǒng)石墨電極填充鋰一樣多的鈉離子。它開辟了一條使低成本、緊湊型鈉電池實(shí)用化的道路。

鈉含量豐富且價(jià)格低廉，化學(xué)性質(zhì)與鋰相似，是下一代電池中鋰的有前途的替代品。鈉電池的穩(wěn)定性和安全性使它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品和汽車中特別有前途，因?yàn)檫^(guò)熱的鋰離子電池有時(shí)被證明是危險(xiǎn)的。

“但是，目前與鈉離子電池的主要問(wèn)題是，我們沒有合適的陽(yáng)極材料，說(shuō)：”金華陽(yáng)光，在工業(yè)和材料科學(xué)在查爾姆斯理工大學(xué)新聞系的研究員。

為了讓電池快速充電并儲(chǔ)存大量能量，離子需要輕松地滑進(jìn)和滑出陽(yáng)極材料。鈉離子電池使用由鈉金屬氧化物制成的陰極，而它們的陽(yáng)極通常是碳基陽(yáng)極，就像它們的鋰電池一樣；盡管總部位于加利福尼亞州圣克拉拉的NatronEnergy正在使用用于染料和油漆的普魯士藍(lán)顏料制造其陽(yáng)極和陰極。

一些鈉電池開發(fā)商正在使用活性炭作為陽(yáng)極，其孔隙中含有鈉離子。“但你需要使用高檔活性炭，這種活性炭非常昂貴且不易生產(chǎn)，”孫說(shuō)。

石墨是鋰離子電池的負(fù)極材料，是一種成本較低的選擇。然而，鈉離子不能在構(gòu)成石墨的石墨烯片堆疊之間有效移動(dòng)。Sun說(shuō)，研究人員過(guò)去認(rèn)為這是因?yàn)殁c離子比鋰離子大，但事實(shí)證明，更大的鉀離子可以在石墨中輕松進(jìn)出。“現(xiàn)在我們認(rèn)為是石墨烯層的表面化學(xué)和無(wú)法容納鈉離子的電子結(jié)構(gòu)。”

他和他的同事想出了一種新的類石墨材料來(lái)克服這些問(wèn)題。為此，他們?cè)阢~箔上生長(zhǎng)了單片石墨烯，并將單層苯分子附著在其上表面。他們長(zhǎng)出許多這樣的石墨烯片并將它們堆疊起來(lái)，制成一層由苯分子隔開的石墨烯蛋糕。

苯層增加層間間距，使鈉離子易于進(jìn)出。它們還在石墨烯表面產(chǎn)生缺陷，作為吸附離子的活性反應(yīng)位點(diǎn)。此外，苯具有與鈉離子強(qiáng)烈結(jié)合的化學(xué)基團(tuán)。

這種看似簡(jiǎn)單的策略極大地提高了材料的鈉離子儲(chǔ)存能力。研究人員的計(jì)算表明，其容量與石墨對(duì)鋰的容量相匹配。石墨的鈉離子容量通常約為每克35毫安時(shí)，但這種新材料可以保持超過(guò)330mAh/g，與石墨的儲(chǔ)鋰容量大致相同。