Forskare vid University of Birmingham banar väg för att byta litium i litiumjonbatterier med natrium, enligt forskning publicerad i Journal of the American Chemical Society .

Litiumjonbatterier (LIB) är laddningsbara och används ofta i bärbara datorer, mobiltelefoner och i hybrid- och helelektriska fordon. Elfordonet är en avgörande teknik för att bekämpa föroreningar i städer och förverkliga en era med rena hållbara transporter.

Litium är dock dyrt och resurser är ojämnt fördelade över planeten. Stora mängder dricksvatten används vid litiumutvinning och extraktionstekniker blir mer energikrävande när litiumbehovet stiger - ett ”eget mål” när det gäller hållbarhet.

Med den ständigt ökande efterfrågan på elbilar, behovet av pålitliga uppladdningsbara batterier ökar dramatiskt, så det finns stort intresse för att hitta en annan laddningsbärare än litium som är billig och lättillgänglig.

Natrium är billigt och finns i havsvatten så det är praktiskt taget obegränsat. Dock, natrium är en större jon än litium, så det är inte möjligt att helt enkelt "byta" det mot litium i nuvarande teknik. Till exempel, till skillnad från litium, natrium passar inte mellan kolskikten i den allestädes närvarande LIB -anoden, grafit.

Forskarna behövde hitta nya material för att fungera som batterikomponenter för natriumjonbatterier som kommer att konkurrera med litium om kapacitet, laddningshastighet, energi och effekttäthet.

Kör kvantmekaniska modeller på superdatorer, Dr Andrew Morris team från University of Birminghams institution för metallurgi och material kunde förutsäga vad som händer när natrium sätts in i fosfor.

I samarbete med Dr Lauren Marbella och professor Clare Greys team vid University of Cambridge, som utförde experimenten som har verifierat förutsägelserna, de fann att fosforen bildar spiraler vid mellanstadier av laddning.

Forskarna identifierade den slutliga sammansättningen av elektroden, som ger en slutlig kapacitet för laddningsbärare sju gånger grafit för samma vikt. Detta ger oss ny inblick i hur man gör högkapacitets natriumjonanoder.

Dr Andrew Morris sa:"Detta är en enorm vinst för beräkningsmaterialvetenskap. Vi förutspådde hur fosfor skulle bete sig som en elektrod 2016 och kunde nu, med professor Greys team för att ge insikter om experiment och lära sig hur vi kan göra våra förutsägelser bättre. Det är fantastiskt hur kraftfulla kombinerade teori-experimentella tillvägagångssätt är. "