可显著提高钠离子电池容量的新型材料

人类对电池的要求正在不断的提升之中，目前使用的锂电池相对来说无疑是最为高效的，不过科学家也一直在寻找新的替代品。虽然锂离子电池使用起来比较高效，但它们的成本却有些高。如何在普通材料和效率之间寻找到平衡点?

通过使用更便宜和更丰富的钠资源，钠离子电池有可能取代目前使用的锂离子电池。这种资源在沙特阿拉伯有着特殊的潜力，在沙特钠是容易获得的，并且容易被提取作为水淡化的副产品，它还是该国饮用水的重要来源。

虽然钠离子可能没有锂离子那么强大，但它们却可以在数量和成本上取胜。通常用于锂离子电池的阳极材料--石墨--同样很便宜，但不幸的是它很难抓住比锂离子大的钠离子。过去，科学家通过碳化橡树叶或在阳极填充皱巴巴的石墨烯球来解决这个问题。

然而普通的石墨，作为锂离子电池中主要的负极材料，因为钠离子比锂离子大，所以难以储存或嵌入钠离子。硬碳是一种无序石墨，能储存更多的钠离子，从而增加电池容量。但目前的问题是制造硬碳需要1000°C的温度。

由HusamAlshareef领导的KAUST团队开发了一种利用简单台式激光器直接在铜收集器上制造三维硬碳而不需要过高温度或附加涂覆步骤的方法。

铜表面聚合物涂层的激光处理制造制造氮掺杂的激光刻划石墨烯（NLSG），用作钠离子电池阳极。

该小组在铜上形成一种聚合物（含尿素聚酰亚胺）薄片，然后将该片材暴露于强激光下。通过在过程中引入氮气，研究小组可以用氮原子取代一些碳原子，达到非常高的氮水平（13at%），这是其他技术无法达到的。因此，三维石墨烯更导电，具有更大的原子间距，并直接与铜集流体结合，消除了额外的处理步骤的需要。

“我们想找到一种不必过分加热我们的样品来制造三维硬碳的方法。这样就可以在铜收集器上直接形成硬碳。”Alshareef's团队的博士生FanZhang说。

KAUST研究人员用激光形成的阳极材料制造钠离子电池。他们的装置表现出的库仑效率超过大多数报告中的碳质阳极，如硬碳和软碳，且钠离子容量比钠离子电池中大多数以前的碳阳极要更好。

“我喜欢从Alshareef教授的小组成员那里学习，尤其是FanZhang，他是我最亲密的导师。”美国NorthCarolinaState大学现任本科生，KAUST天才学生计划(KGSP)实习生EmanAlhajji说。明年秋天，Eman将作为博士生加入该团队。

“Zhang和Alhajji在KAUST研究生和访问KGSP的实习生之间创造了一个令人钦佩的合作范例。他们的工作为电池研究开辟了新的方向，可以扩展到其他储能技术中。”Alshareef说。