En ny natriumjonbatterikemi som visar överlägsen prestanda jämfört med befintliga toppmoderna natriumbaserade batterier kan vara katalysatorn för att möjliggöra massproduktion av den framväxande teknologin för storskalig energilagring, till exempel i applikationer inklusive lagring av solenergi för industrianläggningar.

Trots natriums överklagande som en låg kostnad, riklig och miljövänlig byggsten för energilagring, det är en relativt ny aktör inom området för batteriteknologisk forskning och utveckling.

En nyckelfråga för natriumjonbatterier är att många av de aktiva materialen som används i deras kemi är känsliga för luft - exponering för till och med ett fåtal luftmolekyler kan försämra materialet och minska batteriets prestanda.

Detta har också inneburit att specialiserad utrustning behövs för att eliminera luft för att bearbeta materialen, driver upp sina kostnader.

Kraftfull och genomförbar

Ta itu med både materialprestanda och industriella genomförbarhetsproblem, forskare vid University of Wollongong (UOW) Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM) har framgångsrikt utvecklat ett material baserat på övergångsmetaller som inte är känsligt för luft och som därför kan massproduceras mycket lättare.

Materialet har den extra fördelen av utmärkt cykelstabilitet, öka dess attraktionskraft för kommersiella batteritillverkare.

"En av de pågående problemen för batterier är cykellivslängden, eller hur många gånger den kan ladda och ladda ur effektivt, ", sa huvudforskaren Dr. Wenbin Luo.

"Vi kunde bygga på tidigare forskning för att tillverka proof-of-concept battericeller för att visa prestandan hos detta material, och den visade fantastisk energitäthet och cykelliv.

"Dessutom, vi utvecklade processerna för att billigt och enkelt tillverka detta material, vilket är en stor del av att göra det attraktivt för kommersialisering."

Nästa steg är att optimera materialet för att få ut maximalt antal cykler ur batterierna, vilket kommer att vara en nyckelfaktor för den kommersiella livskraften för natriumjonbatterier.

"Med nya material och bearbetningstekniker kan vi fokusera på vidareutveckling som kommer att bana väg för övergången till kommersialisering av detta spännande och välbehövliga alternativ till litiumjonbatterier."

Detta material, rapporterade nyligen i tidningen Avancerade energimaterial , utvecklades som ett samarbete mellan forskare från ISEM och Guilin University of Electronic Technology i Kina och ger ett stort steg framåt i utvecklingen av natriumjonbatterier för praktiska tillämpningar.

Från labb till produktionslinje

I en andra tidning, också nyligen publicerad i tidskriften Avancerade energimaterial , forskare från ISEM inbjöds att granska det aktuella läget för forskning om natriumjonbatterier över hela världen, särskilt de faktorer som håller tillbaka en bredare kommersialisering av tekniken.

Utveckling av natriumjonbatterier är ett hårt omtvistat forskningsområde inom energimaterial och granskningen ger en grundlig förståelse av forsknings- och utvecklingslandskapet.

Även om natriumjon inte kan konkurrera med litium i personlig elektronik på grund av dess lägre energitäthet, det ses som ett lönsamt alternativ för storskalig lagring där storleken på batteriet är mindre viktigt.

Hittills, mycket av forskningen har fokuserat på att finjustera materialen för de viktigaste komponenterna i batteriet, men lite tonvikt har lagts på att göra en komplett cell.

"Kommersiell fullcellsdesign inkluderar optimering av kapacitetsbalansering mellan katoden och anoden, hitta en stabil elektrolytlösning, att välja lämpliga tillsatser och bindemedel, välja en separator, såväl som produktionskostnaderna för de aktiva materialen för elektroderna och den totala tillverkningskostnaden för batterierna, " sa Dr Luo.

"Det här är inte alltid en enkel process, eftersom många av dessa parametrar är beroende av varandra, så det finns en betydande mängd trial-and-error när man väljer den bästa kombinationen av designparametrar.

"Vår granskning visar djupet av forskning som visar optimering av en enskild komponent eller material, men också bristen på forskning som sammanför alla delar."

I granskningspapperet, forskarna identifierar nyckelindikatorer för kommersiell genomförbarhet, inklusive stabilitet mot luft och fuktkontakt, kostnaden för material och tillverkning, elektrokemisk prestanda, cykelliv, anod- och katodkompatibilitet och miljövänlighet.

"I stor utsträckning, hur cykelprestanda, eller batterilivslängd, uppfyller kraven för stora energilagringssystem kommer att avgöra dess kommersialiseringsframsteg, " sa Dr Luo.

"För storskalig lagring, vi måste utveckla batterier som ger en lång livslängd för att motivera investeringen."