Från elbilar som färdas hundratals mil på en enda laddning till motorsågar lika mäktiga som gasdrivna versioner, nya produkter släpps ut på marknaden varje år som drar nytta av de senaste framstegen inom batteriteknik.

Men den tillväxten har lett till oro för att världens utbud av litium, metallen i hjärtat av många av de nya uppladdningsbara batterierna, kan så småningom vara uttömda.

Nu har forskare vid Georgia Institute of Technology hittat nya bevis som tyder på att batterier baserade på natrium och kalium lovar som ett potentiellt alternativ till litiumbaserade batterier.

"Ett av de största hindren för natrium- och kaliumjonbatterier har varit att de tenderar att sönderfalla och brytas ned snabbare och hålla mindre energi än alternativ, sa Matthew McDowell, en biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering och School of Materials Science and Engineering.

"Men vi har upptäckt att det inte alltid är fallet, " han lade till.

För studien, som publicerades den 19 juni i tidskriften Joule och sponsrades av National Science Foundation och U.S. Department of Energy, forskargruppen tittade på hur tre olika joner – litium, natrium, och kalium-reagerade med partiklar av järnsulfid, även kallad pyrit och dårguld.

När batterier laddas och laddas ur, joner reagerar ständigt med och tränger in i partiklarna som utgör batterielektroden. Denna reaktionsprocess orsakar stora volymförändringar i elektrodens partiklar, ofta dela upp dem i små bitar. Eftersom natrium- och kaliumjoner är större än litium, man har traditionellt trott att de orsakar mer betydande nedbrytning när de reagerar med partiklar.

I sina experiment, reaktionerna som sker inuti ett batteri observerades direkt i ett elektronmikroskop, med järnsulfidpartiklarna som spelar rollen som en batterielektrod. Forskarna fann att järnsulfid var mer stabil under reaktion med natrium och kalium än med litium, vilket indikerar att ett sådant batteri baserat på natrium eller kalium kan ha en mycket längre livslängd än förväntat.

Skillnaden mellan hur de olika jonerna reagerade var stark visuellt. När den utsätts för litium, järnsulfidpartiklar verkade nästan explodera under elektronmikroskopet. Tvärtom, järnsulfiden expanderade som en ballong när den utsattes för natrium och kalium.

"Vi såg en mycket robust reaktion utan fraktur - något som tyder på att detta material och andra material som det skulle kunna användas i dessa nya batterier med större stabilitet över tiden, "sade Matthew Boebinger, en doktorand vid Georgia Tech.

Studien tvivlar också på uppfattningen att stora volymförändringar som sker under den elektrokemiska reaktionen alltid är en föregångare till partikelfraktur, vilket orsakar elektrodfel som leder till att batteriet försämras.

Forskarna föreslog att en möjlig orsak till skillnaden i hur de olika jonerna reagerade med järnsulfiden är att litiumet var mer benägna att koncentrera sin reaktion längs partikelns skarpa kubliknande kanter, medan reaktionen med natrium och kalium var mer diffus längs hela ytan av järnsulfidpartikeln. Som ett resultat, järnsulfidpartikeln vid reaktion med natrium och kalium utvecklade en mer oval form med rundade kanter.

Även om det fortfarande finns mer arbete att göra, de nya forskningsrönen kan hjälpa forskare att designa batterisystem som använder dessa typer av nya material.

"Litiumbatterier är fortfarande de mest attraktiva just nu eftersom de har störst energitäthet - du kan packa mycket energi i det utrymmet, "Sade McDowell. "Natrium- och kaliumbatterier har vid det här laget inte mer densitet, men de är baserade på grundämnen som är tusen gånger rikligare i jordskorpan än litium. Så de kan bli mycket billigare i framtiden, vilket är viktigt för storskalig energilagring - reservkraft för hem eller framtidens energinät."