Mod et bedre batteri:Forskere afslører kilde til nedbrydning i natriumbatterier

Batterier driver vores liv:Vi er afhængige af dem for at holde vores mobiltelefoner og bærbare computere i gang, og vores hybrid- og elbiler på vejen. Men en stadigt stigende anvendelse af de mest almindeligt anvendte lithium-ion-batterier kan faktisk føre til øgede omkostninger og potentiel mangel på lithium - hvilket er grunden til, at natrium-ion-batterier bliver forsket intenst som en mulig erstatning. De klarer sig godt, og natrium, et alkalimetal tæt beslægtet med lithium, er billig og rigelig.

Udfordringen? Natrium-ion-batterier har kortere levetid end deres lithium-baserede søskende.

Nu, UC Santa Barbara computermaterialeforsker Chris Van de Walle og kolleger har afsløret en årsag til dette tab af kapacitet i natriumbatterier:den utilsigtede tilstedeværelse af brint, hvilket fører til nedbrydning af batterielektroden. Van de Walle og medforfatterne Zhen Zhu og Hartwin Peelaers offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Materialernes kemi .

"Hydrogen er almindeligvis til stede under fremstillingen af ​​katodematerialet, eller det kan være inkorporeret fra miljøet eller fra elektrolytten, " sagde Zhu, som nu er hos Google. "Brand er kendt for at påvirke elektroniske materialers egenskaber kraftigt, så vi var nysgerrige efter dets effekt på NaMnO ₂ (natriummangandioxid), et almindeligt katodemateriale til natrium-ion-batterier." For at studere dette, forskerne brugte beregningsteknikker, der er i stand til at forudsige de strukturelle og kemiske effekter, der opstår ved tilstedeværelsen af ​​urenheder.

Professor Peelaers, nu ved University of Kansas, beskrev de vigtigste resultater:"Vi indså hurtigt, at brint meget let kan trænge ind i materialet, og at dets tilstedeværelse gør det muligt for manganatomerne at bryde løs fra manganoxidrygraden, der holder materialet sammen. Denne fjernelse af mangan er irreversibel og fører til et fald i kapacitet og, ultimativt, nedbrydning af batteriet."

Undersøgelserne blev udført i Van De Walles Computational Materials Group ved UC Santa Barbara.

"Tidligere forskning havde vist, at tab af mangan kunne finde sted ved grænsefladen til elektrolytten eller kunne være forbundet med en faseovergang, men den identificerede ikke rigtig en udløser, " sagde Van de Walle. "Vores nye resultater viser, at tabet af mangan kan forekomme hvor som helst i materialet, hvis der er brint til stede. Fordi brintatomer er så små og reaktive, brint er en almindelig forurening i materialer. Nu hvor dens skadelige virkning er blevet markeret, der kan træffes foranstaltninger under fremstilling og indkapsling af batterierne for at undertrykke inkorporering af brint, hvilket burde føre til bedre præstationer."

Faktisk, forskerne formoder, at selv de allestedsnærværende lithium-ion-batterier kan lide under de dårlige virkninger af utilsigtet brint-inkorporering. Hvorvidt dette forårsager færre problemer, fordi fremstillingsmetoderne er yderligere avancerede i dette modne materialesystem, eller fordi der er en grundlæggende årsag til, at lithiumbatterierne er mere modstandsdygtige over for brint, er ikke klart på nuværende tidspunkt, og vil være et område for fremtidig forskning.