După ani de dezvoltare, bateriile sodiu-ion încep să rivalizeze cu cele pe bază de litiu. Totuși, până în prezent, comercializarea lor se limitează la utilizări pe scară largă, precum stocarea energiei din rețea. Bateriile sodiu-ion nu au caracteristicile necesare pentru a putea fi utilizate în cadrul vehiculelor electrice sau laptopurilor. Bateriile litiu-ion au o densitate de 285 Wh/kg, adică de două ori mai mare decât cele pe bază de sodiu. Acest lucru le face mai potrivite pentru acele aplicații portabile.
În prezent, o echipă de cercetători a raportat dezvoltarea unui nou tip de electrod din grafen care ar putea spori capacitatea de stocare a bateriilor de sodiu pentru a rivaliza cu cele pe bază de litiu. Volumul de ioni de sodiu captați de acesta este similar cu cel al unui electrod de grafit convențional, care absoarbe ioni de litiu. Noul material poate deschide o cale către realizarea bateriilor de sodiu compacte și ieftine.
Abundent, ieftin, și cu proprietăți chimice similare cu litiul, sodiul este un înlocuitor promițător. Stabilitatea și siguranța bateriilor cu sodiu le face deosebit de promițătoare pentru utilizarea în cadrul dispozitivelor electronice și al mașinilor electrice, unde bateriile supraîncălzite litiu-ion s-au dovedit a fi uneori periculoase.
„Totuși, în prezent, problema majoră a bateriilor cu sodiu-ion este că nu avem un material anodic adecvat”, a declarat Jinhua Sun, cercetător în cadrul Departamentului de Științe Industriale și Materiale al Universității de Tehnologie Chalmers.
Pentru ca bateria să se încarce rapid și să stocheze mai multă energie, ionii trebuie să se deplaseze cu ușurință în interiorul și în afara materialului anodic. Bateriile cu ioni de sodiu folosesc catozi realizați din oxizi de sodiu metalic, în timp ce anozii lor sunt, de obicei, confecționați din carbon.
Unii dezvoltatori de baterii de sodiu folosesc cărbune activ pentru realizarea anodului. Acest material este utilizat deoarece poate încorpora ionii de sodiu în porii săi. „Totuși, chiar și în acest caz, trebuie să se utilizeze cărbune activ de înaltă calitate, care este foarte scump și nu este ușor de produs”, a declarat Sun.
Grafitul, care este materialul anodic utilizat în cadrul bateriilor litiu-ion, este o opțiune mai accesibilă. Cu toate acestea, ionii de sodiu nu se pot deplasa la fel de eficient printre straturile de grafen din care este alcătuit grafitul. Cercetătorii obișnuiau să creadă că acest lucru se datorează faptului că ionii de sodiu sunt mai mari decât ionii de litiu. „Totuși, am descoperit faptul că ionii de potasiu, care au o dimensiune și mai mare, se pot deplasa cu ușurință prin grafit. În prezent, suntem de părere că alcătuirea chimică a suprafeței straturilor de grafen și structura electronică este cea responsabilă de acest blocaj”, a declarat Sun.
El și colegii săi au creat un nou material, asemănător grafitului, care depășește aceste probleme. Pentru a-l realiza, cercetătorii au creat o singură foaie de grafen pe o folie de cupru și au plasat un singur strat de molecule de benzen pe suprafața sa. Aceștia au creat un număr mai mare de astfel foi de grafen și le-au stivuit pentru a realiza un multistrat de foi de grafen separate de moleculele de benzen.
Stratul de benzen crește distanța dintre straturi pentru a permite ionilor de sodiu să intre și să iasă cu ușurință. De asemenea, acesta creează defecte pe suprafața grafenului, care acționează în mod asemănător unor zone de reacție active și care produc absorbția ionilor. În plus, benzenul prezintă anumite grupări chimice care se leagă puternic de ionii de sodiu.
Această strategie aparent simplă mărește drastic capacitatea de stocare a bateriilor sodiu-ion. Cercetătorii au determinat că această capacitate este similară cu cea a anodului din grafit utilizat în cazul bateriilor pe bază de litiu. În mod uzual, capacitatea grafitului pentru ioni de sodiu este de aproximativ 35 mAh/g. Totuși, noul material poate avea o capacitate de peste 330 mAh/g, adică similară cu cea a bateriilor pe bază de litiu.
