Forskare har konstruerat en ny typ av katod som kan göra massproduktion av natriumbatterier mer genomförbar. Batterier baserade på rikligt med och lågt natrium är av stort intresse för både forskare och industrin eftersom de kan underlätta en mer kostnadseffektiv produktionsprocess för energilagringssystem i nätskalor, konsumentelektronik och elfordon. Upptäckten var ett samarbete mellan forskare vid Institute of Chemistry (IOC) vid Chinese Academy of Sciences (CAS) och US Department of Energy (DOE) Brookhaven National Laboratory.

Litiumbatterier finns vanligtvis i konsumentelektronik som smartphones och bärbara datorer, men under de senaste åren, elfordonsindustrin började också använda litiumbatterier, efterfrågan på befintliga litiumresurser avsevärt.

"Bara förra året, priset på litiumkarbonat tredubblades, eftersom marknaden för elbilar i Kina började blomstra, "sa Xiao-Qing Yang, en fysiker vid Chemistry Division i Brookhaven Lab och den ledande Brookhaven -forskaren på denna studie.

Dessutom, utvecklingen av nya elnät som innehåller förnybara energikällor som vind och sol driver också behovet av nya batterikemikalier. Eftersom dessa energikällor inte alltid är tillgängliga, energilagringssystem i nätskala behövs för att lagra överskott av energi som produceras när solen skiner och vinden blåser.

Forskare har sökt efter nya batterikemikalier med hjälp av material som är lättare tillgängliga än litium. Natrium är ett av de mest önskvärda alternativen för forskare eftersom det finns nästan överallt och är mycket mindre giftigt för människor än litium.

Men natrium utgör stora utmaningar när det ingår i en traditionell batteridesign. Till exempel, en typisk batteris katod består av metall- och syrejoner arrangerade i lager. Vid exponering för luft, metaller i ett natriumbatteriets katod kan oxideras, minska batteriets prestanda eller till och med göra det helt inaktivt.

Forskarna vid IOC vid CAS och Jiangxi Normal University försökte lösa detta problem genom att ersätta olika typer av metaller i katoden och öka utrymmet mellan dessa metaller. Sedan, med hjälp av Inner-Shell Spectroscopy (ISS) -strålen vid Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-ett DOE Office of Science User Facility-Brookhavens forskare jämförde strukturerna i batterimaterial med osubstituerade material med dessa nya batterimaterial med substitutmetaller .

"Vi använder strållinjen för att bestämma hur metaller i katodmaterialet förändrar oxidationstillstånden och hur det korrelerar med effektiviteten och livslängden för batteriets struktur, säger Eli Stavitski, en fysiker vid ISS -strålen. "

ISS-strållinjen var den första operativa röntgenspektroskopi-strållinjen vid NSLS-II. Här, forskare lyser en ultraljus röntgenstråle genom material för att observera hur ljus absorberas eller släpps ut. Dessa observationer gör det möjligt för forskare att studera strukturen hos olika material, inklusive deras kemiska och elektroniska tillstånd.

ISS -strålen, som är särskilt utformad för höghastighetsförsök, tillät forskarna att mäta förändringar i realtid i batteriet under laddningsurladdningsprocesserna. Baserat på deras observationer gjorda vid strålen, Brookhavens team upptäckte att oxidation undertrycktes i natriumbatterierna med substituerade metaller, indikerar att de nydesignade natriumbatterierna var stabila när de utsattes för luft. Detta är ett stort steg framåt för att möjliggöra framtida massproduktion av natriumbatterier.

Forskarna säger att denna studie är den första av många som kommer att använda ISS beamline vid NSLS-II för att främja studien av batterier.