Forskare från Empa och ETH Zürich har för första gången lyckats producera enhetliga nanokristaller av antimon. Testad som komponenter i laboratoriebatterier, dessa kan lagra ett stort antal både litium- och natriumjoner. Dessa nanomaterial arbetar med hög hastighet och kan så småningom användas som alternativa anodmaterial i framtida batterier med hög energidensitet.

Jakten är igång – efter nya material som ska användas i nästa generations batterier som en dag kan ersätta nuvarande litiumjonbatterier. I dag, de senare är vanliga och ger en pålitlig strömkälla för smartphones, bärbara datorer och många andra bärbara elektriska enheter. Å ena sidan, dock, elektrisk mobilitet och stationär ellagring kräver ett större antal kraftfullare batterier; och den höga efterfrågan på litium kan så småningom leda till brist på råvaran. Det är därför som konceptuellt identisk teknologi baserad på natriumjoner kommer att få ökad uppmärksamhet under de kommande åren. Även om det har forskats i 20 år, material som kan lagra natriumjoner förblir knappa.

Antimonelektroder?

Ett team från Empa och ETH Zürich under ledning av Empa-forskaren Maksym Kovalenko kan ha kommit ett steg närmare att identifiera alternativa batterimaterial:de har blivit de första att syntetisera enhetliga antimonnanokristaller, vars speciella egenskaper gör dem till de främsta kandidaterna för ett anodmaterial för både litiumjon- och natriumjonbatterier. Resultaten av forskarnas studie har just publicerats i Nanobokstäver .

Under en lång tid, antimon har betraktats som ett lovande anodmaterial för högpresterande litiumjonbatterier eftersom denna metalloid uppvisar en hög laddningskapacitet, med en faktor två högre än för vanlig grafit. Inledande studier visade att antimon kan vara lämpligt för uppladdningsbara litium- och natriumjonbatterier eftersom det kan lagra båda sorters joner. Natrium anses vara ett möjligt billigt alternativ till litium eftersom det är mycket mer naturligt rikligt och dess reserver är mer jämnt fördelade på jorden.

För att antimon ska uppnå sin höga lagringskapacitet, dock, det måste produceras i en speciell form. Forskarna lyckades kemiskt syntetisera enhetliga – så kallade "monodisperse" – antimonnanokristaller som var mellan tio och tjugo nanometer stora. Nanokristaller har en avgörande fördel jämfört med partiklar av större storlekar:fullständig litium eller sodiation av antimon leder till stora volymetriska förändringar. Använda nanokristaller, dessa moduleringar av volymen kan vara reversibla och snabba, och leder inte till omedelbar fraktur av materialet. En ytterligare viktig fördel med nanokristaller (eller nanopartiklar) är att de kan blandas med ett ledande kolfyllmedel för att förhindra aggregering av nanopartiklarna.

Idealisk kandidat för anodmaterial

Elektrokemiska tester visade att elektroder gjorda av antimonnanokristaller fungerar lika bra i natrium- och litiumjonbatterier. Detta gör antimon särskilt lovande för natriumbatterier eftersom de bästa litiumlagrande anodmaterialen (grafit och kisel) inte fungerar med natrium.

Mycket monodispersa nanokristaller, med en storleksavvikelse på tio procent eller mindre, gör det möjligt att identifiera det optimala förhållandet mellan storlek och prestanda. Nanokristaller på tio nanometer eller mindre lider av oxidation på grund av den alltför stora ytan. Å andra sidan, antimonkristaller med en diameter på mer än 100 nanometer är inte tillräckligt stabila på grund av den tidigare nämnda massiva volymexpansionen och sammandragningen under driften av ett batteri. Bäst resultat uppnådde forskarna med 20 nanometer stora partiklar.

Ett annat viktigt resultat av studien, möjliggörs av dessa ultralikformiga partiklar, är att forskarna identifierade ett storleksintervall på cirka 20 till 100 nanometer, inom vilket detta material visar sig utmärkt, storleksoberoende prestanda, både vad gäller energitäthet och hastighetsförmåga. Dessa egenskaper tillåter till och med användning av polydispersa antimonpartiklar för att uppnå samma prestanda som med mycket monodispersa partiklar, så länge som deras storlekar förblir inom detta storleksintervall på 20 till 100 nanometer. Experiment från Kovalenkos grupp på monodispersa nanopartiklar av andra material visar mycket brantare förhållande mellan storlek och prestanda, såsom snabb prestandaförsämring med ökad partikelstorlek, placerar antimon i en unik position bland de material som legerar med litium och natrium. "Detta förenklar avsevärt uppgiften att hitta en ekonomiskt lönsam syntesmetod", säger Kovalenko. "Utvecklingen av en sådan kostnadseffektiv syntes är nästa steg för oss, tillsammans med vår industriella partner."

Dyrare alternativ

Betyder detta att ett alternativ till dagens litiumjonbatterier finns inom vårt grepp? Kovalenko skakar på huvudet. Även om metoden är relativt okomplicerad, produktionen av ett tillräckligt antal högkvalitativa enhetliga antimonnanokristaller är fortfarande för dyrt. "Allt som allt, batterier med natriumjoner och antimonnanokristaller som anoder kommer bara att utgöra ett mycket lovande alternativ till dagens litiumjonbatterier om produktionskostnaderna blir jämförbara, " han säger.

Det kommer med största sannolikhet att dröja ytterligare ett decennium eller så innan ett natriumjonbatteri med antimonelektroder kan komma ut på marknaden. Forskningen om ämnet är fortfarande bara i sin linda. "Dock, andra forskargrupper kommer snart att ansluta sig, " kemisten är övertygad.

Kort sagt:Litiumjonbatterier

Ett nuvarande litiumjonbatteri består av två elektroder - en katod och en anod. Anoden är ofta gjord av grafit, katoden av metalloxider såsom koboltoxid. Litiumjonerna fastnar i dessa material under laddnings- eller urladdningsprocesserna. De två elektroderna är åtskilda av en separator som är permeabel endast för litiumjoner som rör sig mellan de två elektroderna. Under batteriurladdning, litiumjonerna skiftar från anoden till katoden. Elektronerna tar en "omväg" via en extern elektronisk enhet, som drivs av det resulterande elektronflödet. Elektroner och joner möts igen vid katoden. När batteriet laddas, litiumjoner och elektroner strömmar i motsatt riktning. För att batteriet ska fungera effektivt och under lång tid, jonerna måste lätt kunna röra sig in och ut ur elektrodmaterialen. Formen och storleken på elektrodmaterialen bör inte förändras mycket genom den återkommande absorptionen och frigöringen av jonerna.