無論是制成特殊泡沫作為熱開關(guān)，還是與陶瓷混合形成超強(qiáng)的電解質(zhì)，石墨烯正以一些有趣的方式塑造著電池技術(shù)的未來。現(xiàn)在，來自瑞典的科學(xué)家又將這種神奇材料應(yīng)用到可持續(xù)的鈉電池中，從而讓容量比傳統(tǒng)鈉電池增長(zhǎng)了十倍多。

在改進(jìn)和創(chuàng)造電池設(shè)計(jì)的道路上，科學(xué)家們被地球中含量豐富的鈉所吸引，并把鈉看作是目前鋰離子電池的優(yōu)秀替代者。這些鈉離子電池的功能很像今天的鋰離子電池，通過在液態(tài)電解質(zhì)中的一對(duì)電極之間穿梭離子來發(fā)電，但就目前而言，它們的性能還不盡如人意。

部分原因是鈉離子比鋰離子大，所以它們不能很好地與由石墨烯堆疊層組成的石墨電極融合。通常情況下，當(dāng)電池在一種稱為插層（intercalationintercalation）的過程中循環(huán)時(shí)，離子會(huì)自由地進(jìn)出石墨電極，但體積較大的鈉離子無法有效地儲(chǔ)存在結(jié)構(gòu)中。這嚴(yán)重影響了鈉離子電池的性能，使其容量達(dá)到35 mAh/g左右，是鋰離子電池的1/10。

為了尋找解決這個(gè)問題的方法，瑞典查爾莫斯工學(xué)院（Chalmers University of Technology）的科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了一種具有特殊特性的新型石墨烯。該團(tuán)隊(duì)的Janus石墨烯是以一位因擁有兩張臉而聞名的羅馬神名字命名，其特點(diǎn)是只有一面的分子既是間隔物，又是鈉離子的活性互動(dòng)點(diǎn)。

事實(shí)上，在這之前，科學(xué)家已經(jīng)有人將兩面性思維應(yīng)用于所謂的Janus粒子，例如允許球體既吸引又排斥水。在這種情況下，只在石墨烯材料的一個(gè)面上發(fā)現(xiàn)的分子促進(jìn)了堆疊片之間的靜電相互作用，同時(shí)也在它們之間創(chuàng)造了更多的空間，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這帶來了容量的巨大提高。

該團(tuán)隊(duì)成員Jinhua Sun解釋說：“我們?cè)谑拥囊粋?cè)添加了一個(gè)分子間隔。當(dāng)這些層疊在一起時(shí)，分子在石墨烯片之間創(chuàng)造了更大的空間，并提供了一個(gè)互動(dòng)點(diǎn)，這導(dǎo)致了容量的大幅提高。”

據(jù)悉，通過使用新型Janus石墨烯代替石墨，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)性鈉電池中實(shí)現(xiàn)了332 mAh/g的容量，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)高出約10倍，接近使用石墨的鋰電池容量。這項(xiàng)研究成果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)進(jìn)步》雜志上。

研究作者Aleksandar教授說：“當(dāng)我們觀察到鈉離子以如此高的容量插入時(shí)，這真是令人興奮。這項(xiàng)研究仍處于早期階段，但結(jié)果很有希望。這表明有可能設(shè)計(jì)出適合鈉離子的有序結(jié)構(gòu)的石墨烯層，使其與石墨相媲美。”