Natrium- og kaliumbaserede batterier kan være nøglen til fremtidens smarte net

Fra elbiler, der kører flere hundrede kilometer på en enkelt opladning til motorsave så mægtige som gasdrevne versioner, nye produkter kommer på markedet hvert år, som drager fordel af de seneste fremskridt inden for batteriteknologi.

Men den vækst har ført til bekymring for, at verdens forsyning af lithium, metallet i hjertet af mange af de nye genopladelige batterier, kan i sidste ende være opbrugt.

Nu har forskere ved Georgia Institute of Technology fundet nye beviser, der tyder på, at batterier baseret på natrium og kalium holder lovende som et potentielt alternativ til lithium-baserede batterier.

"En af de største forhindringer for natrium- og kalium-ion-batterier har været, at de har en tendens til at henfalde og nedbrydes hurtigere og holde mindre energi end alternativer, " sagde Matthew McDowell, en assisterende professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og School of Materials Science and Engineering.

"Men vi har fundet ud af, at det ikke altid er tilfældet, " han tilføjede.

Til studiet, som blev offentliggjort 19. juni i tidsskriftet Joule og blev sponsoreret af National Science Foundation og US Department of Energy, forskerholdet så på, hvordan tre forskellige ioner - lithium, natrium, og kalium-reageret med partikler af jernsulfid, også kaldet pyrit og dårguld.

Når batterier oplades og aflades, ioner reagerer konstant med og trænger ind i de partikler, der udgør batterielektroden. Denne reaktionsproces forårsager store volumenændringer i elektrodens partikler, ofte bryde dem op i små stykker. Fordi natrium- og kaliumioner er større end lithium, man har traditionelt troet, at de forårsager mere signifikant nedbrydning, når de reagerer med partikler.

I deres eksperimenter, reaktionerne, der opstår inde i et batteri, blev observeret direkte inde i et elektronmikroskop, hvor jernsulfidpartiklerne spiller rollen som en batterielektrode. Forskerne fandt ud af, at jernsulfid var mere stabilt under reaktion med natrium og kalium end med lithium, hvilket indikerer, at et sådant batteri baseret på natrium eller kalium kan have en meget længere levetid end forventet.

Forskellen mellem, hvordan de forskellige ioner reagerede, var skarp visuelt. Når de udsættes for lithium, jernsulfidpartikler så ud til næsten at eksplodere under elektronmikroskopet. Tværtimod, jernsulfidet udvidede sig som en ballon, når det blev udsat for natrium og kalium.

"Vi så en meget robust reaktion uden brud - noget der tyder på, at dette materiale og andre materialer som det kunne bruges i disse nye batterier med større stabilitet over tid, " sagde Matthew Boebinger, en kandidatstuderende ved Georgia Tech.

Undersøgelsen sår også tvivl om, at store volumenændringer, der sker under den elektrokemiske reaktion, altid er en forløber for partikelbrud, hvilket forårsager elektrodefejl, hvilket fører til batterinedbrydning.

Forskerne foreslog, at en mulig årsag til forskellen i, hvordan de forskellige ioner reagerede med jernsulfidet, er, at lithium var mere tilbøjelige til at koncentrere sin reaktion langs partiklens skarpe terninglignende kanter, hvorimod reaktionen med natrium og kalium var mere diffus langs hele overfladen af ​​jernsulfidpartiklen. Som resultat, jernsulfidpartiklen udviklede, når den reagerede med natrium og kalium, en mere oval form med afrundede kanter.

Selvom der stadig er mere arbejde at gøre, de nye forskningsresultater kan hjælpe videnskabsmænd med at designe batterisystemer, der bruger disse typer af nye materialer.

"Lithium-batterier er stadig de mest attraktive lige nu, fordi de har den største energitæthed - du kan pakke en masse energi i det rum, " sagde McDowell. "Natrium- og kaliumbatterier har på dette tidspunkt ikke større tæthed, men de er baseret på grundstoffer, der er tusind gange mere rigelige i jordskorpen end lithium. Så de kan være meget billigere i fremtiden, hvilket er vigtigt for energilagring i stor skala - backup-strøm til boliger eller fremtidens energinet."