Natrium og magnesium til at erstatte lithium i batterier

Forskere støttet af SNSF har produceret nye elektrolytter til genopladelige natrium- og magnesiumbatterier. Forskergruppens mål var at udvikle alternativer til lithium-ion-teknologi.

Et projekt støttet af Swiss National Science Foundation (SNSF) har til formål at finde nye materialer, som kan bruges i genopladelige batterier og i sidste ende give alternativer til de nuværende lithiumbatterier. Lithium-baserede batterier har flere ulemper, såsom den begrænsede tilgængelighed af selve råmaterialet samt de mange sikkerhedsproblemer, som primært er forbundet med brugen af ​​en brandfarlig flydende forbindelse. Dette problem er blevet eksemplificeret ved gentagelsen af ​​eksploderende mobiltelefoner.

Den seneste forskning ledet af Arndt Remhof fra Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Empa, demonstrerer potentialet af natrium og magnesium i udviklingen af ​​alternative teknologier udelukkende baseret på faste grundstoffer. Hans team har produceret eksperimentelle batterikomponenter baseret på disse metaller.

Udskiftning af materiale

Schweiziske forskere har udviklet solid-state battericeller ved hjælp af en fast forbindelse (i modsætning til celler, der er baseret på en flydende elektrolyt), hvis udformning udgør et væsentligt teknisk problem. ioner - uanset om de er lithium, natrium eller magnesium - skal have lov til at bevæge sig gennem et fast medium. Ved at flytte fra den ene pol til den anden inde i batteriet, ioner (positiv ladning) letter forskydningen af ​​elektroner (negativ ladning) og dermed udledningen af ​​en elektrisk strøm gennem et eksternt kredsløb.

For at lette forskydningen af ​​ioner, forskerne udviklede faste elektrolytter med krystallinsk struktur. Ved at erstatte lithium med natrium eller magnesium, Arndt Remhofs team var nødt til at revidere deres krystallinske arkitektur fuldstændigt og bruge nye komponenter og fremstillingsprocesser.

"Jeg kan altid godt lide at sammenligne vores job med en fodboldtræners" siger Arndt Remhof. "Du kan bringe de bedste elementer sammen, men hvis du ikke optimerer indstillingerne, opnår du ikke gode resultater!"

Natrium:et billigt materiale

Arndt Remhofs team har udviklet en solid elektrolyt, der letter god mobilitet af natriumioner ved 20 grader. Dette sidste punkt er afgørende:ioner kræver en varmekilde for at kunne bevæge sig, og at inducere en reaktion ved stuetemperatur udgør en teknisk udfordring. Elektrolytten er også ikke brændbar og er kemisk stabil op til 300 grader, som adresserer de forskellige sikkerhedsproblemer forbundet med lithium-ion-batterier. Hans Hagemanns team på universitetet i Genève har parallelt arbejdet på at udvikle billigere teknologi til fremstilling af denne nye faste elektrolyt.

I modsætning til lithium, der er enorme reserver af natrium:det er en af ​​de to komponenter i bordsalt. "Tilgængelighed er vores nøgleargument", siger Léo Duchêne fra Empa og førsteforfatter til forskningspapiret. "Imidlertid, det lagrer mindre energi end den tilsvarende masse af lithium og kan derfor vise sig at være en god løsning, hvis størrelsen af ​​batteriet ikke er en faktor for dets anvendelse."

Magnesium:det perfekte, men komplekse materiale

Det samme team har også udviklet en solid magnesiumbaseret elektrolyt. Indtil nu, meget lidt forskning var blevet udført på dette område. Det faktum, at det er meget sværere at sætte dette element i gang, betyder ikke, at det er mindre attraktivt:det er tilgængeligt i overflod, det er lyst, og der er ingen risiko for, at den eksploderer. Men endnu vigtigere, en magnesiumion har to positive ladninger, hvorimod lithium kun har én. I det væsentlige, det betyder, at den lagrer næsten dobbelt så meget energi i samme volumen.

Nogle eksperimentelle elektrolytter er allerede blevet brugt til at stimulere magnesiumioner til at bevæge sig, men ved temperaturer over 400 grader. Elektrolytterne brugt af de schweiziske videnskabsmænd har allerede registreret lignende ledningsevner ved 70 grader. "Dette er banebrydende forskning og et proof of concept, siger Elsa Roedern fra Empa, der ledede forsøgene. "Vi er stadig langt fra at have en komplet og funktionel prototype, men vi har taget det første vigtige skridt mod at nå vores mål."

Novel Ionic Conductors-projektet samler forskere fra Empa, universitetet i Genève, Paul Scherrer Instituttet og Henryk Niewodniczanski Instituttet for Kernefysik i Polen. Det er blevet finansieret af Swiss National Science Foundation siden 2015 som en del af Sinergia-programmet, som understøtter samarbejdende og tværfaglig forskning. "Det, vi har formået at opnå på mindre end to år, er ganske ekstraordinært!" siger Arndt Remhof.