Metode til at forudsige atomstrukturen af ​​natrium-ion-batterier

Forskere fra det kinesiske videnskabsakademi og Delft University of Technology (TU Delft) har udviklet en metode til at forudsige atomstrukturen af ​​natrium-ion-batterier. Indtil nu, dette var umuligt selv med de bedste supercomputere. Resultaterne kan markant fremskynde forskningen i natrium-ion-batterier. Som resultat, denne type batteri kan blive en seriøs teknologi ved siden af ​​de populære Li-ion-batterier, der findes i vores smartphones, bærbare computere og elbiler. Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Videnskab .

Mobiltelefoner, bærbare computere og elbiler indeholder alle lithium-ion-batterier. Med hensyn til ydeevne og energitæthed, disse batterier er uovertrufne. Alligevel har den kommercielle afhængighed af en type batterier også sine ulemper. Tag kobolt, for eksempel. Indtil nu, på trods af megen forskning, Det har ikke været muligt at producere lithium-ion-batterier uden denne sjældne ressource. Kobolt udvindes næsten udelukkende i Congo under barske forhold og med stor indvirkning på miljøet.

Lithium er en ressource, der kan blive problematisk på længere sigt. "I øjeblikket, vi har mere end nok af det, " siger TU Delft-forsker Marnix Wagemaker. "Men hvis vi alle skal køre elektrisk i fremtiden, og hvis vi har brug for store batterier til at lagre solenergi derhjemme, vi får også brug for en enorm mængde lithium." Det kan blive et problem, fordi lithiumreserverne er alt andet end uendelige.

Køkkensalt

Forskere mener, at natrium-ion-batterier har potentiale. Navnet siger det hele:I stedet for lithium, denne type batteri er baseret på natrium, som findes i køkkensalt, blandt andet. I teorien, Na-ion-batterier fungerer ikke så godt som Li-ion-batterier, men kløften er ikke så stor. Wagemaker siger, "På laboratorieskala, Na-ion-batterier kan nå en energitæthed, der kun er 20 til 30 % lavere end Li-ion-batterier. Så de er ikke konkurrencedygtige, når det kommer til mobiltelefoner eller elbiler. Men i situationer, hvor vægten er lidt mindre vigtig, for eksempel i maritime applikationer eller i køretøjer, der kan oplades ofte, de kan være et godt alternativ."

Na-ion-batterier ville også være velegnede til stationær brug, for eksempel, i en strømvæg derhjemme eller i en batteripark, der lagrer vind- og solenergi. Ud over, Na-ion batterier giver flere muligheder i brugen af ​​råmaterialer til at opbygge bedre og billigere positive elektroder. Denne alsidighed gør det meget lettere at slippe af med kobolt, for eksempel, sammenlignet med de positive elektroder i Li-ion batterier. Kobolt er ikke kun dyrt, men udgør også et etisk problem ud fra et synspunkt om udnyttelse af arbejdskraft.

Uendeligt

Ironisk, denne alsidighed er også natrium-ion-batteriets forbandelse. Li-ion-batterier fungerer kun med et begrænset antal råmaterialer og materialestrukturer, og det er relativt tydeligt, hvad den bedste 'opskrift' på en katode er. Ikke sådan for Na-ion-batterier. "Afhængig af den præcise cocktail af elementer, du vil ende med subtile forskelle i den positive elektrodes atomare struktur, som har stor indflydelse på batteriets ydeevne, " Wagemaker forklarer. "Med kun en håndfuld elementer, der er så mange strukturelle muligheder, at selv den hurtigste supercomputer ikke kan forudsige, hvordan de forskellige kombinationer vil se ud. Som resultat, udviklingen af ​​nye materialer er langsom."

I det mindste, det har været tilfældet indtil nu. Men Delft-forskerne og deres kinesiske kolleger har fundet en måde at forudsige den ideelle opskrift på katoden. På atomniveau, en katode ligner en sandwich:den består af flere lag, med ioner imellem. "Først så det ud som om størrelsen af ​​ionerne bestemte atomstrukturen, " siger Wagemaker. "Men det stod hurtigt klart, at det ikke var den eneste faktor. Fordelingen af ​​ionernes elektriske ladning spiller en central rolle."

Geologi

Dette var en afgørende indsigt for forskerne, fordi forholdet mellem størrelsen af ​​en ion og dens ladning, det såkaldte "ioniske potentiale, " er kendt for at have forudsigelig værdi. "I geologi, dette forhold er blevet brugt i årtier til at forstå hvorfor, for eksempel, visse jernoxider er mere opløselige end andre, " siger Wagemaker. "Dette kan afsløre noget om dannelsen af ​​visse lag på jorden, eller om andre geologiske processer."

Spørgsmålet var, om dette forhold også ville være nyttigt på atomær skala. Det viste det sig, at det var. Forskerne udviklede en simpel formel baseret på det ioniske potentiale. "Ved hjælp af denne formel kan vi forudsige, hvilken struktur vi får i hvilket forhold mellem et udvalg af råvarer, " siger Wagemaker. "Formlen guider os gennem det enorme antal muligheder til de elektrodematerialer, der kan levere den bedste ydeevne."

Stigende

Forskerne testede også deres formel ved at designe nye materialer. "Vi forsøgte at lave en katode med den højest mulige energitæthed, og en, som du kan oplade meget hurtigt, " siger Wagemaker. "I begge tilfælde, det lykkedes. Med hensyn til energitæthed var vi lige ved den øvre grænse for, hvad der er muligt. Jeg kan godt lide, at sådan en simpel formel, baseret på en meget gammel idé fra geologien, kan lave forudsigelser på atomskalaen med en sådan nøjagtighed."

Denne forskning fokuserede på én del af et batteri:katoden. Et logisk næste skridt er også at se på andre typer strukturer, både i elektroder og elektrolytter til forskellige typer batterier. Kan denne nye tilgang også spille en rolle der? Det mener Marnix Wagemaker. "Det vil vi undersøge i den kommende periode. Med denne forskning håber vi at fremskynde udviklingen af ​​materialer til næste generation af batterier."