Forskare som stöds av SNSF har producerat nya elektrolyter för laddningsbara natrium- och magnesiumbatterier. Forskargruppens mål var att utveckla alternativ till litiumjonteknik.
Ett projekt som stöds av Swiss National Science Foundation (SNSF) syftar till att hitta nya material som kan användas i laddningsbara batterier och så småningom ge alternativ till de nuvarande litiumbatterierna. Litiumbaserade batterier har flera nackdelar, såsom den begränsade tillgången på själva råvaran liksom de många säkerhetsfrågorna, som främst är förknippade med användningen av en brandfarlig flytande förening. Detta problem har exemplifierats av återkommande exploderande mobiltelefoner.
Den senaste forskningen ledd av Arndt Remhof från de schweiziska federala laboratorierna för materialvetenskap och teknik, Empa, visar natrium- och magnesiumpotentialen i utvecklingen av alternativ teknik som uteslutande bygger på fasta element. Hans team har producerat experimentella batterikomponenter baserade på dessa metaller.
Byte av material
Schweiziska forskare har utvecklat batterier i solid state med hjälp av en fast substans (till skillnad från celler som är baserade på en flytande elektrolyt), vars konstruktion utgör ett betydande tekniskt problem. Joner - om de är litium, natrium eller magnesium - måste få röra sig genom ett fast medium. Genom att flytta från en pol till den andra inuti batteriet, joner (positiv laddning) underlättar förskjutning av elektroner (negativ laddning) och därmed urladdning av en elektrisk ström genom en extern krets.
För att underlätta förskjutning av joner, forskarna utvecklade fasta elektrolyter med kristallin struktur. Genom att ersätta litium med natrium eller magnesium, Arndt Remhofs team var tvungna att fullständigt se över sin kristallina arkitektur och använda nya komponenter och tillverkningsprocesser.
"Jag gillar alltid att jämföra vårt jobb med det som en fotbollstränare", säger Arndt Remhof. "Du kan sammanföra de bästa elementen, men om du inte optimerar inställningarna kommer du inte att få bra resultat! "
Natrium:ett billigt material
Arndt Remhofs team har utvecklat en fast elektrolyt som underlättar god rörlighet av natriumjoner vid 20 grader. Denna sista punkt är avgörande:joner kräver en värmekälla för att kunna röra sig, och att framkalla en reaktion vid rumstemperatur utgör en teknisk utmaning. Elektrolyten är också icke brandfarlig och är kemiskt stabil upp till 300 grader, som tar upp de olika säkerhetsproblemen i samband med litiumjonbatterier. Hans Hagemanns team vid universitetet i Genève har arbetat parallellt med att utveckla billigare teknik för produktion av denna nya fasta elektrolyt.
Till skillnad från litium, det finns stora natriumreserver:det är en av de två komponenterna i bordsalt. "Tillgänglighet är vårt viktigaste argument", säger Léo Duchêne från Empa och första författare till forskningsrapporten. "Dock, den lagrar mindre energi än motsvarande massa litium och kan därför visa sig vara en bra lösning om batteriets storlek inte är en faktor för dess användning. "
Magnesium:det perfekta men komplexa materialet
Samma team har också utvecklat en solid magnesiumbaserad elektrolyt. Tills nu, mycket lite forskning hade gjorts på detta område. Det faktum att det är mycket svårare att sätta igång detta element betyder inte att det är mindre attraktivt:det finns i överflöd, det är lätt, och det finns ingen risk att det exploderar. Men ännu viktigare, en magnesiumjon har två positiva laddningar, medan litium bara har en. Väsentligen, det betyder att den lagrar nästan dubbelt så mycket energi i samma volym.
Vissa experimentella elektrolyter har redan använts för att stimulera magnesiumjoner att röra sig, men vid temperaturer över 400 grader. Elektrolyterna som används av de schweiziska forskarna har redan registrerat liknande konduktiviteter vid 70 grader. "Detta är banbrytande forskning och ett bevis på koncept, säger Elsa Roedern från Empa, som ledde experimenten. "Vi är fortfarande långt ifrån att ha en komplett och funktionell prototyp, men vi har tagit det första viktiga steget mot att nå vårt mål. "
Projektet Novel Ionic Conductors samlar forskare från Empa, universitetet i Genève, Paul Scherrer -institutet och Henryk Niewodniczanski -institutet för kärnfysik i Polen. Det har finansierats av Swiss National Science Foundation sedan 2015 som en del av Sinergia -programmet, som stöder samarbets- och tvärvetenskaplig forskning. "Det vi har lyckats åstadkomma på mindre än två år är ganska extraordinärt!" säger Arndt Remhof.
