Forskere designer lovende ny katode til natriumbaserede batterier

Forskere har designet en ny type katode, der kan gøre masseproduktion af natriumbatterier mere gennemførlig. Batterier baseret på rigeligt og billigt natrium er af stor interesse for både forskere og industrien, da de kunne lette en mere omkostningseffektiv produktionsproces for energilagringssystemer i netskala, forbrugerelektronik og elbiler. Opdagelsen var et samarbejde mellem forskere ved Institute of Chemistry (IOC) ved Chinese Academy of Sciences (CAS) og det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory.

Litiumbatterier findes almindeligvis i forbrugerelektronik såsom smartphones og bærbare computere, men i de senere år, elbilindustrien begyndte også at bruge litiumbatterier, øger efterspørgslen på eksisterende lithiumressourcer markant.

"Bare sidste år, prisen på lithiumcarbonat tredoblet, fordi det kinesiske marked for elbiler begyndte at blomstre, "sagde Xiao-Qing Yang, en fysiker ved Chemistry Division i Brookhaven Lab og den førende Brookhaven -forsker på dette studie.

Ud over, udviklingen af ​​nye elektriske net, der indeholder vedvarende energikilder som vind og sol, driver også behovet for nye batterikemikalier. Fordi disse energikilder ikke altid er tilgængelige, energilagringssystemer i netskala er nødvendige for at lagre den overskydende energi, der produceres, når solen skinner og vinden blæser.

Forskere har ledt efter nye batterikemikalier ved hjælp af materialer, der er lettere tilgængelige end lithium. Natrium er en af ​​de mest ønskelige muligheder for forskere, fordi det findes næsten overalt og er langt mindre giftigt for mennesker end lithium.

Men natrium udgør store udfordringer, når det indarbejdes i et traditionelt batteridesign. For eksempel, et typisk batteris katode består af metal- og iltioner anbragt i lag. Når den udsættes for luft, metallerne i et natriumbatteris katode kan oxideres, reducere batteriets ydeevne eller endda gøre det helt inaktivt.

Forskerne ved IOC ved CAS og Jiangxi Normal University forsøgte at løse dette problem ved at erstatte forskellige typer metaller i katoden og øge rummet mellem disse metaller. Derefter, ved hjælp af Inner-Shell Spectroscopy (ISS) beamline ved Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et DOE Office of Science User Facility-Brookhavens forskere sammenlignede strukturer af batterimaterialer med usubstituerede materialer med disse nye batterimaterialer med erstatningsmetaller .

"Vi bruger strålelinjen til at bestemme, hvordan metaller i katodematerialet ændrer oxidationstilstande, og hvordan det korrelerer med effektiviteten og levetiden for batteriets struktur, "siger Eli Stavitski, en fysiker ved ISS beamline. "

ISS beamline var den første operationelle røntgenspektroskopi beamline ved NSLS-II. Her, forskere skinner en ultra-lys røntgenstråle gennem materialer for at observere, hvordan lys absorberes eller genudsendes. Disse observationer giver forskere mulighed for at studere strukturen af ​​forskellige materialer, herunder deres kemiske og elektroniske tilstande.

ISS beamline, som er specielt designet til højhastighedsforsøg, gav forskerne mulighed for at måle ændringer i realtid i batteriet under opladningsafladningsprocesserne. Baseret på deres observationer foretaget ved bjælkelinjen, Brookhavens team opdagede, at oxidation blev undertrykt i natriumbatterierne med substituerede metaller, angiver, at de nydesignede natriumbatterier var stabile, når de blev udsat for luft. Dette er et stort skridt fremad for at muliggøre fremtidig masseproduktion af natriumbatterier.

Forskerne siger, at denne undersøgelse er den første af mange, der vil bruge ISS beamline ved NSLS-II til at fremme studiet af batterier.