Vi känner alla till de laddningsbara och effektiva litiumjonbatterier (Li-ion) som sitter i våra smartphones, bärbara datorer och även i elbilar.

Tyvärr, litium är en begränsad resurs, så det kommer att bli en utmaning att tillgodose världens växande efterfrågan på relativt billiga batterier. Därför, forskare letar nu efter alternativ till Li-ion-batteriet.

Ett lovande alternativ är att ersätta litium med metallen natrium – för att tillverka Na-jonbatterier. Natrium finns i stora mängder i havsvatten och kan lätt utvinnas ur det.

"Na-jonbatteriet är fortfarande under utveckling, och forskare arbetar med att öka dess livslängd, sänker laddningstiden och gör batterier som kan leverera många watt, " säger forskningsledare Dorthe Bomholdt Ravnsbæk vid institutionen för fysik, Kemi och farmaci vid Syddansk Universitet.

Hon och hennes team är upptagna av att utveckla nya och bättre uppladdningsbara batterier som kan ersätta dagens mycket använda Li-ion-batterier.

För att Na-jonbatterierna ska bli ett alternativ, bättre elektrodmaterial måste utvecklas – något hon och kollegor från University of Technology och Massachusetts Institute of Technology, USA, har tittat på i en ny studie publicerad i tidskriften ACS Applied Energy Materials .

Men innan vi tittar på detaljerna i denna studie, låt oss ta en titt på varför Na-ion-batteriet har potential att bli nästa stora batterisuccé.

"En uppenbar fördel är att natrium är en mycket lättillgänglig resurs, som finns i mycket stora mängder i havsvatten. Litium, å andra sidan, är en begränsad resurs som bara utvinns på ett fåtal platser i världen, " förklarar Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

En annan fördel är att Na-jonbatterier inte behöver kobolt, som fortfarande behövs i Li-ion-batterier. Majoriteten av kobolten som används idag för att tillverka Li-ion-batterier, bryts i Demokratiska republiken Kongo, där uppror, oorganiserad gruvdrift och barnarbete skapar osäkerhet och moraliska betänkligheter när det gäller landets kobolthandel.

Det räknas också på plussidan att Na-ion-batterier kan tillverkas på samma fabriker som tillverkar Li-ion-batterier idag.

I deras nya studie, Dorthe Bomholdt Ravnsbæk och hennes kollegor har undersökt ett nytt elektrodmaterial baserat på järn, mangan och fosfor.

Den nya twisten på materialet är tillsatsen av grundämnet mangan, vilket inte bara ger batteriet en högre spänning (volt), men ökar också kapaciteten på batteriet och kommer sannolikt att leverera fler watt. Detta beror på att omvandlingarna som sker på atomnivå under urladdningen och laddningen förändras avsevärt av närvaron av mangan.

"Liknande effekter har setts i Li-ion-batterier, men det är mycket förvånande att effekten bibehålls i ett Na-jonbatteri, eftersom interaktionen mellan elektroden och Na-jonerna skiljer sig mycket från den för Li-joner, säger Dorthe Bomholdt Ravnsbæk.

Hon kommer inte att försöka förutsäga när vi kan förvänta oss att hitta havsvattenbaserade Na-jonbatterier i våra telefoner och elbilar, eftersom det fortfarande finns vissa utmaningar att lösa. En utmaning är att det kan vara svårt att göra små Na-jonbatterier. Men stora batterier har också värde — t.ex. när det gäller att lagra vind- eller solenergi.

Således, under 2019, Ett sådant gigantiskt 100 kWh Na-jonbatteri invigdes för att testas av kinesiska forskare vid Yangtze River Delta Physics Research Center. Det gigantiska batteriet består av mer än 600 anslutna Na-jon battericeller, och den levererar ström till byggnaden som inrymmer centrum. Den ström som lagras i batteriet är överskottsström från stamnätet.