Forskare har upptäckt ett nytt kemiskt tillstånd för elementet mangan. Detta kemiska tillstånd, föreslogs först för ungefär 90 år sedan, möjliggör en högpresterande, lågt natriumjonbatteri som snabbt och effektivt kan lagra och distribuera energi som produceras av solpaneler och vindkraftverk över elnätet.

Detta direkta bevis på ett tidigare obekräftat laddningstillstånd i en manganinnehållande batterikomponent kan inspirera till nya vägar att utforska batteriinnovationer.

Röntgenförsök vid US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) var viktiga för upptäckten. Studieresultaten publicerades den 28 februari i tidskriften Naturkommunikation .

Forskare vid Berkeley Lab och New York University deltog i studien, som leddes av forskare vid Natron Energy, tidigare Alveo Energy, en Palo Alto, Kalifornienbaserat batteriteknikföretag.

Batteriet som Natron Energy levererade till studien har en okonventionell design för en anod, som är en av dess två elektroder. Jämfört med de relativt mogna konstruktionerna av anoder som används i litiumjonbatterier, anoder för natriumjonbatterier förblir ett aktivt fokus för FoU.

Anoden i denna senaste studie består av en blandning av element - inklusive mangan, kol och kväve - det är kemiskt lik formeln för det järnhaltiga färgpigmentet som kallas preussisk blå.

"Vanligtvis, i litiumjon- och natriumjonbatterier, anoden är oftare kolbaserad, "sa Wanli Yang, personalvetare vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla, källan till röntgenstrålar som användes i batteriexperimenten.

Men i det här fallet, båda batteriets elektroder använder samma typ av material baserat på element som kallas "övergångsmetaller" som är användbara i kemi eftersom de kan uppvisa olika laddade tillstånd. Den andra elektroden, kallad katod, innehåller koppar, kväve, kol, och järn.

"Den mycket intressanta delen här är att båda elektroderna är baserade på övergångsmetallers kemi i samma typ av material, " han lade till, med järn i katoden och en speciell mangankemi i anoden.

"En av de direkta fördelarna med att använda sådana material för båda elektroderna i batteriet är att ingen av de två elektroderna i grunden begränsar effektförmågan, cykelliv, eller kostnad för enheten, "sade Colin Wessells, VD på Natron Energy. Batteriet överträffar energidepartementets cykeltid och prismål för energilagring i nätskalan, som forskarna rapporterar i sin senaste studie.

Wessells noterade att batteriet är mycket stabilt, dess material är rikligt, dess totala kostnad är konkurrenskraftig med konventionella blybatterier, och den har ett mindre miljöavtryck än konventionella batterier.

Batteriet har visat sig leverera upp till 90 procent av sin totala energi på en mycket snabb, fem minuters urladdning, och att behålla cirka 95 procent av sin urladdningskapacitet för 1, 000 cykler. Det erbjuder ett alternativ till gravitation-baserade energilagringssystem för elnät, där vatten pumpas uppför och sedan släpps nedför vid behov för att generera el.

Precis hur batteriet uppnår sin höga prestanda, fastän, hade förbryllade forskare.

Det fanns spekulationer, från en tyskspråkig tidskriftsartikel 1928, att mangan kan existera i ett så kallat "1-plus" eller "monovalent" tillstånd, vilket innebär att en manganatom i detta tillstånd bara förlorar en enda elektron. Detta är ovanligt, eftersom manganatomer vanligtvis är kända för att ge upp två eller flera elektroner, eller inga elektroner, vid kemiska reaktioner, men inte bara en.

Ett sådant nytt kemiskt tillstånd skulle möjliggöra ett spänningsintervall som är användbart för batterianoder. Men det hade inte gjorts några mätningar som bekräftade denna envärda form av mangan.

Natron Energy -forskarna studerade batterimaterialen vid Berkeley Labs Molecular Foundry, ett nanovetenskapscenter, och erbjöd sedan några provbatterier för studier vid ALS.

Den första omgången av röntgenförsök vid ALS, som använde en teknik som kallas mjuk röntgenabsorptionsspektroskopi, verkade visa huvudsakligen 2-plus formen av mangan.

"Vi fick bara en ledtråd (av en annan form) i de inledande testerna, och var tvungen att förlita sig starkt på teori för att spekulera om ett annat tillstånd, "sade Andrew Wray vid New York University, som utförde de teoretiska beräkningarna.

Sedan vände sig laget till ett nybyggt system på ALS, dubbad in situ resonant oelastisk röntgenspridning, eller iRIXS. Tekniken, som tillhandahåller en högkänslig sond för materialets inre kemi, visade en uppenbar kontrast i elektronerna under batteriets laddnings- och urladdningscykler.

"En mycket tydlig kontrast dyker upp direkt med RIXS, "Sa Yang." Vi insåg senare att mangan 1-plus beter sig mycket, mycket nära det typiska 2-plus-tillståndet vid annan konventionell spektroskopi, "därför hade det varit svårt att upptäcka i så många decennier.

Wray tillade, "Analysen av RIXS-resultaten bekräftar inte bara mangan 1-plus-tillståndet, det visar också att de speciella omständigheter som ger upphov till detta tillstånd gör det lättare för elektroner att resa i materialet. Det är troligtvis därför en så ovanlig batterielektrod utför så väl."

Kommersiella prototyper baserade på batteriet som testades på labbet gick in i kundbetatest tidigare i år, Wessells noterade. Förutom nätapplikationer, Natron Energy marknadsför tekniken för datacenters nödkraft, och för tung utrustning som elektriska gaffeltruckar, bland andra möjliga tillämpningar.

Yang sa att det kemiska pusslet som löstes i den senaste studien kan inspirera annan FoU i nya typer av batterielektroder. "Driften av ett batteri kan driva framväxten av atypiska kemiska tillstånd som inte finns i vårt konventionella tänkande. Denna grundläggande förståelse kan utlösa andra nya konstruktioner, och öppna våra ögon bortom vår konventionella visdom "på elektrodmaterial, han sa.

"Denna studie var som ett perfekt paket, med kombinerad industri, nationellt labb, och universitetsbidrag, "Sa Yang.