Blomsterlignende nanostrukturer i natriumbatterier

Natrium-ion-batterier (SIB) er varme kandidater til en billig og bæredygtig batteriteknologi, men et tilbagevendende problem er anode-ustabilitet. Et kinesisk hold af videnskabsmænd rapporterer nu om udarbejdelsen af ​​et struktureret anodekompositmateriale i submikronstørrelse, der kan rumme store volumenændringer. Antimonsulfidelektroden er let klargjort og udviser overlegen kapacitet og cykelydelse, som vist i en undersøgelse offentliggjort i European Journal of Inorganic Chemistry .

I modsætning til lithium-ion-batterier (LIB'er), natriumionbatterier er afhængige af let tilgængelige og bæredygtige råmaterialer. En af hovedårsagerne til, at SIB'er endnu ikke er udbredt, er ustabilitet:Den store natriumion kan ikke integreres lige så let i elektroderne som den lille lithiumion, forårsager betydelig udvidelse og krympning af strukturerne under udlednings-/opladningsbegivenhederne. Dette problem refererer især til anoden, som blot pulveriseres under længere cykelperioder. Kun hvis dette problem bliver løst, et virkeligt fungerende natriumionbatteri kan udvikles. Nu, Guangda Li og hans kolleger ved Qilu University of Technology, Jinan, Kina, har kombineret mikro- og nanostrukturerede materialer med state-of-the-art batterikemi. De samlede et anodekompositmateriale, der gennem sin blomsterlignende undermikrostruktur, kan afbøde de drastiske volumenændringer, mens de stadig viser forbedret ledningsevne og kapacitet. I øvrigt, det var let tilberedt, rapporterede forskerne.

Antimon, eller, endnu bedre, antimonsulfid, er attraktive anodematerialer til SIB'er. Deres meget høje teoretiske specifikke kapacitet skyldes antallet af så meget som tre natriumatomer pr. antimon, der skal inkorporeres i strukturen ved afladning (hvilket i batteritermer er sodiation), når antimonsulfidet først danner natriumsulfid og derefter antimonlegeringer. For at reducere virkningerne af de store volumenændringer, mikrostrukturering til en størrelse mellem nano- og bulkmaterialer er blevet foreslået. I denne forbindelse Jinan-forskerne fremstillede sfæriske partikler af antimonsulfid med to til tre mikrometer i diameter. Et nærmere kig afslørede, at overfladen var sammensat af adskillige tynde plader vokset sammen for at konstruere en blomsterlignende struktur. Denne "bundt blomster" kan tjene som en effektiv buffer mod volumenændringer, men dens ledningsevne og diffusionsveje er stadig for lave til batteriapplikationer.

Derfor, forfatterne har belagt det med et kulstoflag lavet af polypyrrolpolymer. "PPy-belægningslagene tjener ikke kun som den strukturelle stabilisator [...], men kan også forbedre ledningen af ​​antimonsulfid submikrosfærer, " forklarede de. Det endelige kompositmateriale havde en veldefineret form og opfyldte de tekniske krav til en højtydende anode. Forfatterne understregede også, at deres fremstillingsmetode var en ligetil sol-gel-teknologi, der startede med antimonacetat (som ikke efterlader nogen skadelig virkning). chlorid i slutproduktet) i kombination med et jævnt forløbende polymerisations-/coatingtrin.

Dette arbejde betegner de seneste fremskridt inden for natriumionbatteriteknologi. Det viser, at kombinationen af ​​nanoingeniørstrategier med batterielektrokemi kan føre til produkter, der kan supplere eller erstatte den nuværende lithium-ion-teknologi.