Researchers stacked specially designed graphene sheets with benzene molecules in between. This "layer cake" allows the sodium ions (in green) to efficiently store energy. MARCUS FOLINO AND YEN STRANDQVIST/CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY经过多年的期待，钠离子电池开始兑现其储能承诺。但到目前为止，它们的商业化仅限于大规模应用，如在电网上储存能源。钠离子电池没有电动汽车和笔记本电脑所需要的“魅力”。相比较来看，锂离子电池的能量密度约为285 Wh/kg，是钠的两倍，因此更适合便携式应用。研究人员现在报道了一种新型石墨烯电极，它可以提高钠电池的存储容量，与锂电池相媲美。这种材料能装的钠离子的体积几乎和传统石墨电极装的锂离子的体积一样多。它为低成本、紧凑型钠电池的实用化开辟了道路。钠资源丰富，价格低廉，化学性质与锂相似，是下一代电池中很有希望的锂替代品。钠电池的稳定性和安全性使其特别适用于电子产品和汽车，因为过热的锂离子电池被证明是存在危险的。“但是目前钠离子电池的主要问题是我们没有合适的负极材料，”查尔默斯技术大学工业和材料科学系的研究员Jinhua Sun如此表示。为了让电池快速充电并储存大量能量，离子需要很容易地从阳极材料中滑入滑出。钠离子电池使用由钠金属氧化物制成的阴极，而它们的阳极通常是碳基阳极，就像它们的锂电池一样；尽管总部位于加利福尼亚州圣克拉拉的Narton Energy公司正在用普鲁士蓝颜料制造阳极和阴极，普鲁士蓝颜料用于染料和油漆。一些钠电池开发商正在使用活性炭作为阳极，将钠离子固定在其孔隙中。“但你需要使用高级活性炭，这是非常昂贵的，且不容易生产，”Sun说。石墨是锂离子电池的负极材料，是一种成本较低的选择。然而，钠离子不能在构成石墨的石墨烯片堆之间有效地移动。Sun说，研究人员过去认为这是因为钠离子比锂离子大，但事实证明，更大的钾离子在石墨中很容易进出。“现在我们认为是石墨烯层的表面化学和电子结构不能容纳钠离子。”他和他的同事们提出了一种新的石墨状材料来克服这些问题。为了制造它，他们在铜箔上添加了一片石墨烯，并在其顶面上附着了一层苯分子。他们增加了许多这样的石墨烯薄片，并将它们堆叠起来，形成一层石墨烯蛋糕，由苯分子隔开。苯层增加了层与层之间的间距，使钠离子易于进出。它们还会在石墨烯表面产生缺陷，作为吸附离子的活性反应位点。此外，苯的化学基团能与钠离子紧密结合。这种看似简单的策略大大提高了材料的钠离子储存能力。研究人员的计算表明，该容量与石墨的锂容量相匹配。石墨的钠离子容量通常为每克35毫安时，但这种新材料的容量可以超过330毫安时/克，与石墨的储锂容量大致相同。这项研究仍处于早期阶段，但结果很有希望。这表明有可能设计出适合钠离子的有序结构的石墨烯层，使其与石墨相媲美。文章来源：IEEE电气电子工程师
