Kostnadseffektiva uppladdningsbara batterier är kärnan i praktiskt taget alla bärbara elektroniska enheter, som har blivit allestädes närvarande i det moderna dagliga livet. Dessutom, uppladdningsbara batterier är viktiga komponenter i många miljövänliga tekniker, som elbilar och system som skördar förnybar energi. De är också viktiga möjliggörare för olika medicintekniska produkter och underlättar forskning inom olika områden som energikälla för elektroniska sensorer och kameror. Så, det borde inte komma som en överraskning att det läggs mycket arbete på att utveckla bättre och billigare laddningsbara batterier.

Än så länge, uppladdningsbara litiumjonbatterier håller plats nummer ett tack vare deras utmärkta prestanda över hela linjen när det gäller kapacitet, stabilitet, pris, och laddningstid. Dock, litium, och andra mindre och kostsamma metaller som kobolt och koppar, är inte bland de mest förekommande materialen på jordskorpan, och deras ständigt ökande efterfrågan kommer snart att leda till utbudsproblem runt om i världen. Vid Tokyo University of Science, Japan, Professor Shinichi Komaba och kollegor har strävat efter att hitta en lösning på detta förvärrade problem genom att utveckla laddningsbara batterier med hjälp av alternativa, mer rikliga material.

I en ny studie publicerad i Angewandte Chemie International Edition , laget hittade en energieffektiv metod för att producera ett nytt kolbaserat material för natriumjonbatterier. Förutom professor Komaba, i teamet fanns också Azusa Kamiyama och docent Kei Kubota från Tokyo University of Science, Dr Yong Youn och Dr Yoshitaka Tateyama från National Institute for Materials Science, Japan, och docent Kazuma Gotoh från Okayama University, Japan. Studien fokuserade på syntesen av hårt kol, ett mycket poröst material som fungerar som den negativa elektroden hos laddningsbara batterier, genom användning av magnesiumoxid (MgO) som en oorganisk mall för porer i nanostorlek inuti hårt kol.

Forskarna undersökte en annan teknik för att blanda ingredienserna i MgO -mallen för att exakt ställa in nanostrukturen för den resulterande hårda kolelektroden. Efter flera experimentella och teoretiska analyser, de klargjorde de optimala tillverkningsförhållandena och ingredienserna för att producera hårt kol med en kapacitet på 478 mAh/g, det högsta som någonsin rapporterats i denna typ av material. Prof.Komaba säger, "Tills nu, kapaciteten för kolbaserade negativa elektrodmaterial för natriumjonbatterier var mestadels runt 300 till 350 mAh/g. Även om värden nära 438 mAh/g har rapporterats, dessa material kräver värmebehandling vid extremt höga temperaturer över 1900 ° C. I kontrast, vi använde värmebehandling vid endast 1500 ° C, en relativt låg temperatur. "Naturligtvis, med lägre temperatur kommer lägre energiförbrukning, vilket också innebär lägre kostnad och mindre miljöpåverkan.

Kapaciteten hos detta nyutvecklade hårdkolelektrodmaterial är verkligen anmärkningsvärt, och överträffar kraftigt grafit (372 mAh/g), som för närvarande används som det negativa elektrodmaterialet i litiumjonbatterier. Dessutom, även om ett natriumjonbatteri med denna hårda kolnegativa elektrod i teorin skulle fungera med en 0,3 volt lägre spänningsskillnad än ett vanligt litiumjonbatteri, den förra högre kapaciteten skulle leda till en mycket större energitäthet i vikt (1600 Wh/kg kontra 1430 Wh/kg), vilket resulterar i +19% ökning av energitätheten.

Spänd över resultaten och med blicken på framtiden, Professor Komaba anmärker, "Vår studie visar att det är möjligt att realisera högenergi natriumjonbatterier, störta den vanliga tron ​​att litiumjonbatterier har en högre energitäthet. Det hårda kolet med extremt hög kapacitet som vi utvecklat har öppnat en dörr för designen av nya natriumlagringsmaterial. "

Ytterligare studier kommer att krävas för att verifiera att det föreslagna materialet faktiskt erbjuder överlägsen livslängd, input-output-egenskaper, och lågtemperaturdrift i faktiska natriumjonbatterier. Med lycka till, vi kanske är på väg att bevittna nästa generations laddningsbara batterier!