ヤヌス・グラフェンは持続可能なナトリウム･イオン電池への
扉を開く
Janus Graphene Opens Doors to Sustainable Sodium-Ion Batteries
By Chalmers University of Technology
https://phys.org/より 2021.08.25
持続可能なエネルギー貯蔵を求めてスエーデンのチャルマース工科大学の研究者達はナトリウム電池用の高性能電極材料を製造するための新しい概念を提示する。これは世界で最も一般的で安価な金属イオンの1つであるナトリウムを貯蔵するための新しいタイプのグラフェンに基づいている。結果は、容量が今日のリチウム・イオン電池に匹敵することができることを示している。
リチウム・イオンはエネルギー貯蔵に適しているが、リチウムは高価な金属であり、長期的な供給と環境問題に懸念がある。
一方、ナトリウムは豊富な低コストの金属であり、海水(および台所の塩)の主成分である。これによりナトリウム･イオン電池は重要な原材料の必要性を減らすための興味深い持続可能な代替品になる。しかし、大きな課題の1つは容量を増やすことである。
現在の性能レベルでは、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と競合できない。制限要因の1つはグラフェンの積み重ねられた層で構成され、今日のリチウム・イオン電池の陰極として使用されているグラファイトである。
イオンはグラファイトに挿入される。つまりイオンはグラフェン層に出入りし、エネルギー使用 のために貯蔵される。ナトリウム･イオンはリチウム・イオンよりも大きく、相互作用が異なる。したがって、グラファイト構造に効率的に補完することはできない。しかし、チャルマースの研究者達はこれを解決するための新しい方法を考え出した。
「グラフェン層の片側に分子スペーサーを追加した。層を積み重ねると、分子がグラフェン・シート間に大きなスペースを作り、相互作用点を提供する。これにより、容量が大幅に向上する。」とチャルマース工科大学の産業材料科学部門の研究者であるJinhua Sunは述べている。彼はScience Advanceに掲載された科学論文の筆頭著者である。
標準グラファイトの10倍のエネルギー容量
通常、標準的なグラファイトへのナトリウム・インターカレーションの容量は1 g当たり約35 mAh(mAhg-1)である。これはグラファイトへのリチウム・インターカレーションの容量の10分析の1未満である。新しいグラフェンではナトリウム･イオンの比容量は1 g当たり332 mAhであり、グラファイト中のリチウムの値に近づいている。結果はまた、完全な可逆性と高いサイクリング安定性を示した。
「このような大容量のナトリウム・インターカレーションを観察したときはわくわくした。研究はまだ初期段階であるが、結果は非常に有望である。これはナトリウムに適した規則正しい構造でグラフェン層を設計できることを示している。イオンはグラファイトに匹敵する。」とチャルマースの物理学部のAleksandar Matic教授は言っている。
「神の」ヤヌス・グラフェンは持続可能な電池への扉を開く
この研究はチャルマース工科大学が調整する欧州委員会が資金提供するプロジェクトであるグラフェン・フラッグシップの副所長としての以前の役割でVincenzo Palermoによって開始された。
新しいグラフェンは反対側の面に非対称の化学的機能化があるため、ドアとゲートに関連付けられた新しい始まりの神であり、旅の最初のステップである。両面の古代ローマの神ヤヌスにちなんで、しばしばヤヌス・グラフェンと呼ばれる。この場合、ヤヌス・グラフェンはローマ神話と良く相関しており、大容量のナトリウム･イオン電池への扉を開く可能性がある。
「我々のヤヌス材料はまだ産業用途には程遠いが、新しい結果は、大容量のエネルギー貯蔵のために極薄のグラフェン・シートとその間の小さなスペースを設計できることを示している。コストのかかる概念を提示できることを非常に嬉しく思う。効率的で豊富な持続可能な金蔵」とチャルマースの産業材料科学部門の関連教授であるVincenzo Palermoは述べている。
材料の詳細：ユニークな構造を持つヤヌス・グラフェン
研究で使用された材料はユニークな人工ナノ構造を持っている。各グラフェン・シートの上面はナトリウム･イオンのスペーサーと活性な相互作用サイトの両方として機能する分子がある。2つの積み重ねられたグラフェン・シートの間にある各分子は共有結合によって下部のグラフェン・シートに接続され、上部のグラフェン・シートとの静電相互作用を介して相互作用する。グラフェン層はまた、均一な細孔サイズ、制御可能な機能化密度、およびいくつかのエッジを持っている。
