(PhysOrg.com) -- Genom att lägga till rätt mängd värme, Forskare har utvecklat en metod som förbättrar den elektriska kapaciteten och laddningstiden för uppladdningsbara natriumjonbatterier, vilket skulle kunna vara ett billigare alternativ för storskalig användning som att lagra energi på elnätet.

För att ansluta sol- och vindenergikällor till elnätet, nätförvaltare kräver batterier som kan lagra stora mängder energi som skapas vid källan. Uppladdningsbara litiumjonbatterier – vanliga i hemelektronik och elfordon – presterar bra, men är för dyra för utbredd användning på nätet eftersom många batterier kommer att behövas, och de kommer sannolikt att behöva vara stora. Natrium är det näst bästa valet, men de natrium-svavelbatterier som för närvarande används körs vid temperaturer över 300 grader Celsius, eller tre gånger temperaturen för kokande vatten, vilket gör dem mindre energieffektiva och säkra än batterier som körs vid omgivande temperaturer.

Batteriutvecklare vill ha det bästa av två världar - att använda både billigt natrium och använda den typ av elektroder som finns i uppladdningsbara litium. Ett team av forskare vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory och gästforskare från Wuhan University i Wuhan, Kina använde nanomaterial för att tillverka elektroder som kan arbeta med natrium, de rapporterade den 3 juni online i tidskriften Avancerade material .

"Natriumjonbatteriet fungerar i rumstemperatur och använder natriumjoner, en ingrediens i matsalt. Så det blir mycket billigare och säkrare, " sa PNNL-kemist Jun Liu, som ledde studien tillsammans med Wuhan University-kemist Yuliang Cao.

Elektroderna i uppladdningsbara litium som intresserar forskare är gjorda av manganoxid. Atomerna i denna metalloxid bildar många hål och tunnlar som litiumjoner färdas genom när batterier laddas eller används. Den fria rörelsen av litiumjoner gör att batteriet kan hålla elektricitet eller släppa ut den i en ström. Men att helt enkelt ersätta litiumjonerna med natriumjoner är problematiskt - natriumjoner är 70 procent större än litiumjoner och passar inte heller i sprickorna.

För att hitta ett sätt att göra större hål i manganoxiden, PNNL forskare gick mycket mycket mindre. De vände sig till nanomaterial - material gjorda på nanometerstor skala, eller ungefär en miljon gånger tunnare än en krona - som har överraskande egenskaper på grund av sin litenhet. Till exempel, de korta avstånden som natriumjoner måste färdas i nanotrådar kan göra manganoxiden till en bättre elektrod på ett sätt som inte är relaterat till storleken på tunnlarna.

Att utforska, teamet blandade två olika typer av manganoxid atomära byggstenar - en vars atomer ordnar sig i pyramider, och en annan vars atomer bildar en oktaeder, en diamantliknande struktur från två pyramider som sitter ihop vid deras baser. De förväntade sig att det slutliga materialet skulle ha stora S-formade tunnlar och mindre femsidiga tunnlar genom vilka jonerna kunde strömma.

Efter blandning, teamet behandlade materialen med temperaturer från 450 till 900 grader Celsius, undersökte sedan materialen och testade vilken behandling som fungerade bäst. Med hjälp av ett svepelektronmikroskop, teamet fann att olika temperaturer skapade material av olika kvalitet. Genom att behandla manganoxiden vid 750 grader Celsius skapades de bästa kristallerna:för låga och kristallerna verkade flagna, för högt och kristallerna blev till större platta plattor.

Zoomar in ännu mer med ett transmissionselektronmikroskop på EMSL, DOE:s Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL:s campus, teamet såg att manganoxid uppvärmd till 600 grader hade pockmarks i nanotrådarna som kunde hindra natriumjonerna, men de 750 graders behandlade trådarna såg enhetliga och mycket kristallina ut.

Men även det snyggaste materialet är bara fönsterputsning om det inte fungerar bra. För att ta reda på om den levde upp till sitt snygga utseende, PNNL-Wuhan-teamet doppade elektrodmaterialet i elektrolyt, vätskan som innehåller natriumjoner som hjälper manganoxidelektroderna att bilda en ström. Sedan laddade de och laddade ur de experimentella battericellerna upprepade gånger.

Teamet mätte toppkapaciteten vid 128 milliAmp timmar per gram elektrodmaterial när den experimentella battericellen laddades ur. Detta resultat överträffade tidigare resultat från andra forskare, varav en uppnådde en toppkapacitet på 80 milliAmp timmar per gram för elektroder gjorda av manganoxid men med en annan produktionsmetod. Forskarna tror att den lägre kapaciteten beror på att natriumjoner orsakar strukturella förändringar i den manganoxiden som inte förekommer eller förekommer mindre ofta i det värmebehandlade materialet i nanostorlek.

Förutom hög kapacitet, materialet höll sig väl för cykler av laddning och urladdning, som skulle inträffa vid konsumentanvändning. På nytt, materialet som behandlats vid 750 Celsius presterade bäst:efter 100 cykler av laddning-urladdning, den förlorade bara 7 procent av sin kapacitet. Material som behandlats vid 600 Celsius eller 900 Celsius förlorade cirka 37 procent och 25 procent, respektive.

Även efter 1, 000 cykler, Kapaciteten hos de 750 Celsius-behandlade elektroderna sjönk bara med cirka 23 procent. Forskarna tyckte att materialet fungerade mycket bra, behåller 77 procent av sin ursprungliga kapacitet.

Sista, teamet laddade experimentcellen med olika hastigheter för att avgöra hur snabbt den kunde ta upp elektricitet. Teamet upptäckte att ju snabbare de laddade den, desto mindre elektricitet kunde den hålla. Detta föreslog för teamet att hastigheten med vilken natriumjoner kunde diffundera in i manganoxiden begränsade battericellens kapacitet - när den laddas snabbt, natriumjonerna kunde inte komma in i tunnlarna tillräckligt snabbt för att fylla dem.

För att kompensera för de långsamma natriumjonerna, forskarna föreslår att de i framtiden gör ännu mindre nanotrådar för att påskynda laddning och urladdning. Nätbatterier behöver snabbladdning så att de kan samla in så mycket nytillverkad energi som kommer från förnybara källor som möjligt. Och de måste ladda ur snabbt när kraven skjuter upp när konsumenterna sätter på sina luftkonditioneringsapparater och tv-apparater, och koppla in sina elfordon hemma.

Sådana högpresterande batterier kan ta bort värmen från ett redan beskattat elnät.