Forskare från den kinesiska vetenskapsakademin och Delfts tekniska universitet (TU Delft) har utvecklat en metod för att förutsäga atomstrukturen hos natriumjonbatterier. Tills nu, detta var omöjligt även med de bästa superdatorerna. Fynden kan avsevärt påskynda forskningen om natriumjonbatterier. Som ett resultat, denna typ av batteri kan bli en seriös teknik bredvid de populära Li-ion-batterierna som finns i våra smartphones, bärbara datorer och elbilar. Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Vetenskap .

Mobiltelefoner, bärbara datorer och elbilar innehåller alla litiumjonbatterier. När det gäller prestanda och energitäthet, dessa batterier är oöverträffade. Men det kommersiella beroendet av en typ av batteri har också sina nackdelar. Ta kobolt, till exempel. Än så länge, trots mycket forskning, att producera litiumjonbatterier utan denna sällsynta resurs har inte varit möjligt. Kobolt bryts nästan uteslutande i Kongo under svåra förhållanden och med stor påverkan på miljön.

Litium är en resurs som kan bli problematisk i längden. "Just nu, vi har mer än nog av det, ", säger TU Delft-forskaren Marnix Wagemaker. "Men om vi alla ska köra elektriskt i framtiden och om vi behöver stora batterier för att lagra solenergi hemma, vi kommer också att behöva en enorm mängd litium." Det kan bli ett problem eftersom litiumreserverna är allt annat än oändliga.

Kökssalt

Forskare tror att natriumjonbatterier har potential. Namnet säger allt:Istället för litium, denna typ av batteri är baserad på natrium, som finns i kökssalt, bland annat. I teorin, Na-jon-batterier fungerar inte lika bra som Li-ion-batterier, men gapet är inte så stort. Wagemaker säger, "I labbskala, Na-jonbatterier kan nå en energitäthet som bara är 20 till 30 % lägre än för Li-ion-batterier. De är alltså inte konkurrenskraftiga när det kommer till mobiltelefoner eller elbilar. Men för situationer där vikten är något mindre viktig, till exempel i maritima tillämpningar eller i fordon som kan laddas ofta, de kan vara ett bra alternativ."

Na-jonbatterier skulle också vara lämpliga för stationär användning, till exempel, i en elvägg hemma eller i en batteripark som lagrar vind- och solenergi. Dessutom, Na-jonbatterier ger fler möjligheter i användningen av råvaror för att bygga upp bättre och billigare positiva elektroder. Denna mångsidighet gör det mycket lättare att bli av med kobolt, till exempel, jämfört med de positiva elektroderna i Li-ion-batterier. Kobolt är inte bara dyrt utan utgör också ett etiskt problem med tanke på exploatering av arbetskraft.

Oändlig

Ironiskt, denna mångsidighet är också natriumjonbatteriets förbannelse. Li-ion-batterier fungerar endast med ett begränsat antal råmaterial och materialstrukturer, och det är relativt tydligt vad det bästa "receptet" för en katod är. Inte så för Na-ion-batterier. "Beroende på den exakta cocktailen av element, du kommer att få subtila skillnader i den positiva elektrodens atomära struktur, som har stor inverkan på batteriets prestanda, " Wagemaker förklarar. "Med bara en handfull element, det finns så många strukturella möjligheter att inte ens den snabbaste superdatorn kan förutsäga hur de olika kombinationerna kommer att bli. Som ett resultat, utvecklingen av nya material går långsamt."

Åtminstone, så har det varit fram till nu. Men Delft-forskarna och deras kinesiska kollegor har hittat ett sätt att förutsäga det ideala receptet för katoden. På atomnivå, en katod ser ut ungefär som en smörgås:den består av flera lager, med joner emellan. "Först verkade det som att storleken på jonerna bestämde atomstrukturen, " säger Wagemaker. "Men det stod snart klart att det inte var den enda faktorn. Fördelningen av jonernas elektriska laddning spelar en avgörande roll."

Geologi

Detta var en avgörande insikt för forskarna eftersom förhållandet mellan storleken på en jon och dess laddning, den så kallade "joniska potentialen, " är känt för att ha prediktivt värde. "Inom geologi, detta förhållande har använts i decennier för att förstå varför, till exempel, vissa järnoxider är mer lösliga än andra, " säger Wagemaker. "Detta kan avslöja något om bildandet av vissa skikt på jorden, eller om andra geologiska processer."

Frågan var om detta förhållande också skulle vara användbart i atomär skala. Det visade sig att det var det. Forskarna utvecklade en enkel formel baserad på jonpotentialen. "Med den här formeln kan vi förutsäga vilken struktur vi kommer att få vid vilket förhållande av ett urval av råvaror, " säger Wagemaker. "Formeln guidar oss genom det enorma antalet möjligheter till elektrodmaterialen som kan leverera bästa prestanda."

På uppgång

Forskarna testade också sin formel genom att designa nya material. "Vi försökte göra en katod med högsta möjliga energitäthet, och en som du kan ladda väldigt snabbt, " säger Wagemaker. "I båda fallen, vi lyckades. När det gäller energitäthet låg vi precis vid den övre gränsen för vad som är möjligt. Jag gillar det faktum att en så enkel formel, baserad på en mycket gammal idé från geologi, kan göra förutsägelser på atomär skala med sådan noggrannhet."

Denna forskning fokuserade på en del av ett batteri:katoden. Ett logiskt nästa steg är att även titta på andra typer av strukturer, både i elektroder och elektrolyter för olika typer av batterier. Kan detta nya synsätt spela en roll även där? Det tycker Marnix Wagemaker. "Vi kommer att utforska det under den kommande perioden. Med denna forskning hoppas vi kunna påskynda utvecklingen av material för nästa generations batterier."