Forskere bekræfter århundredgamle spekulationer om kemien i et højtydende batteri

Forskere har opdaget en ny kemisk tilstand af elementet mangan. Denne kemiske tilstand, første gang foreslået for omkring 90 år siden, muliggør en højtydende, lavpris natriumionbatteri, der hurtigt og effektivt kunne lagre og distribuere energi produceret af solpaneler og vindmøller på tværs af elnettet.

Dette direkte bevis på en tidligere ubekræftet ladetilstand i en manganholdig batterikomponent kan inspirere til nye muligheder for efterforskning af batteriinnovationer.

Røntgenforsøg ved det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) var nøglen til opdagelsen. Undersøgelsesresultaterne blev offentliggjort 28. februar i tidsskriftet Naturkommunikation .

Forskere ved Berkeley Lab og New York University deltog i undersøgelsen, som blev ledet af forskere ved Natron Energy, tidligere Alveo Energy, en Palo Alto, Californien-baseret batteriteknologiselskab.

Batteriet, som Natron Energy leverede til undersøgelsen, har et utraditionelt design til en anode, som er en af ​​dens to elektroder. Sammenlignet med de relativt modne designs af anoder, der bruges i lithium-ion-batterier, anoder til natriumionbatterier forbliver et aktivt fokus for F &U.

Anoden i denne seneste undersøgelse består af en blanding af elementer - herunder mangan, kulstof og nitrogen - det er kemisk lig formlen for det jernholdige malingspigment kendt som preussisk blå.

"Typisk, i lithium-ion og natrium-ion batterier, anoden er oftere kulstofbaseret, "sagde Wanli Yang, en personaleforsker ved Berkeley Labs avancerede lyskilde, kilden til røntgenstråler, der blev brugt i batteriforsøgene.

Men i dette tilfælde, begge batteriets elektroder anvender den samme type materialer baseret på elementer kendt som "overgangsmetaller", der er nyttige i kemi, fordi de kan udvise forskellige ladede tilstande. Den anden elektrode, kaldet en katode, indeholder kobber, nitrogen, kulstof, og jern.

"Den meget interessante del her er, at begge elektroder er baseret på kemien i overgangsmetaller i den samme type materialer, " han tilføjede, med jern i katoden og en særlig mangankemi i anoden.

"En af de direkte fordele ved at anvende sådanne materialer til begge elektroder i batteriet er, at ingen af ​​de to elektroder grundlæggende begrænser effektkapaciteten, cyklus liv, eller omkostninger ved enheden, "sagde Colin Wessells, CEO hos Natron Energy. Batteriet overgår energiministeriets cyklus-levetid og prismål for energilagring i netskala, som forskerne rapporterer i deres seneste undersøgelse.

Wessells bemærkede, at batteriet er meget stabilt, dets materialer er rigelige, dens samlede omkostninger er konkurrencedygtige med konventionelle blybatterier, og det har et mindre miljøaftryk end konventionelle batterier.

Batteriet har vist sig at levere op til 90 procent af dets samlede energi på en meget hurtig, fem minutters udskrivning, og at beholde omkring 95 procent af dens udledningskapacitet i 1, 000 cykler. Det tilbyder et alternativ til tyngdekraftsbaserede energilagringssystemer til elektrisk net, hvor vand pumpes op ad bakke og derefter frigives ned ad bakke efter behov for at generere elektricitet.

Hvordan batteriet opnår sin høje ydeevne, selvom, havde undrede forskere.

Der var spekulationer, går tilbage til en tysksproget tidsskriftartikel fra 1928, at mangan kunne eksistere i en såkaldt "1-plus" eller "monovalent" tilstand, hvilket betyder, at et manganatom i denne tilstand kun mister en enkelt elektron. Dette er usædvanligt, da manganatomer typisk er kendt for at opgive to eller flere elektroner, eller ingen elektroner, i kemiske reaktioner, men ikke kun en.

En sådan ny kemisk tilstand ville muliggøre et spændingsområde, der er nyttigt for batterianoder. Men der havde ikke været nogen målinger, der bekræftede denne monovalente form for mangan.

Natron Energy -forskerne studerede batterimaterialerne ved Berkeley Labs Molecular Foundry, et nanovidenskabscenter, og tilbød derefter nogle prøvebatterier til undersøgelse ved ALS.

Den første runde med røntgenforsøg ved ALS, som brugte en teknik kaldet blød røntgenabsorptionsspektroskopi, syntes at vise hovedsageligt 2-plus formen af ​​mangan.

"Vi fandt kun et tip (af en anden form) i de indledende tests, og måtte i høj grad stole på teori for at spekulere om en anden tilstand, "sagde Andrew Wray ved New York University, der udførte de teoretiske beregninger.

Derefter vendte teamet sig til et nybygget system på ALS, kaldet in situ resonant uelastisk røntgenspredning, eller iRIXS. Teknikken, som giver en højfølsom sonde for materialets indre kemi, viste en kontraherende kontrast i elektronerne under batteriets opladnings- og afladningscyklusser.

"En meget klar kontrast viser sig straks med RIXS, "Sagde Yang." Vi indså senere, at mangan 1-plus opfører sig meget, meget tæt på den typiske 2-plus-tilstand ved anden konventionel spektroskopi, "Derfor havde det været svært at opdage i så mange årtier.

Wray tilføjede, "Analysen af ​​RIXS-resultaterne bekræfter ikke kun mangan 1-plus-tilstanden; den viser også, at de særlige omstændigheder, der giver anledning til denne tilstand, gør det lettere for elektroner at rejse i materialet. Det er sandsynligvis derfor, at en så usædvanlig batterielektrode udfører så godt."

Kommercielle prototyper baseret på batteriet, der blev testet i laboratoriet, gik ind i kundens beta -test tidligere på året, Wessells noterede sig. Ud over netapplikationer, Natron Energy promoverer teknologien til datacenters nødstrøm, og for tungt udstyr såsom elektriske gaffeltrucks, blandt andre mulige applikationer.

Yang sagde, at det kemiske puslespil, der blev løst i den seneste undersøgelse, kunne inspirere til anden F&U i nye typer batterielektroder. "Driften af ​​et batteri kan drive fremkomsten af ​​atypiske kemiske tilstande, der ikke findes i vores konventionelle tankegang. Denne grundlæggende forståelse kan udløse andre nye designs, og åbne vores øjne ud over vores konventionelle visdom "på elektrodematerialer, han sagde.

"Denne undersøgelse var som en perfekt pakke, med kombineret industri, nationalt laboratorium, og universitetsbidrag, "Sagde Yang.