Nyt hardcarbonanodemateriale til natriumionbatterier løser litiumproblemet

Omkostningseffektive genopladelige batterier er kernen i stort set alle bærbare elektroniske enheder, som er blevet allestedsnærværende i moderne dagligdag. I øvrigt, genopladelige batterier er essentielle komponenter i mange miljøvenlige teknologier, såsom elbiler og systemer, der høster vedvarende energi. De er også vigtige muligheder for forskellige medicinske anordninger og letter forskning på forskellige områder som energikilde for elektroniske sensorer og kameraer. Så, det burde ikke komme som en overraskelse, at der er lagt en stor indsats i at udvikle bedre og billigere genopladelige batterier.

Indtil nu, genopladelige lithium-ion-batterier holder nummer et takket være deres store ydeevne over hele linjen hvad angår kapacitet, stabilitet, pris, og opladningstid. Imidlertid, lithium, og andre mindre og dyre metaller som kobolt og kobber, er ikke blandt de mest rigelige materialer på jordskorpen, og deres stadigt stigende efterspørgsel vil snart føre til forsyningsproblemer rundt om i verden. På Tokyo University of Science, Japan, Professor Shinichi Komaba og kolleger har stræbt efter at finde en løsning på dette forværrede problem ved at udvikle genopladelige batterier ved hjælp af alternative, mere rigelige materialer.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , teamet fandt en energieffektiv metode til at producere et nyt kulstofbaseret materiale til natriumionbatterier. Bortset fra prof. Komaba, teamet omfattede også fru Azusa Kamiyama og lektor Prof. Kei Kubota fra Tokyo University of Science, Dr. Yong Youn og Dr. Yoshitaka Tateyama fra National Institute for Materials Science, Japan, og lektor Prof. Kazuma Gotoh fra Okayama University, Japan. Undersøgelsen fokuserede på syntesen af ​​hårdt kulstof, et meget porøst materiale, der fungerer som den negative elektrode af genopladelige batterier, ved brug af magnesiumoxid (MgO) som en uorganisk skabelon af porer i nanostørrelse inde i hårdt kulstof.

Forskerne undersøgte en anden teknik til blanding af ingredienserne i MgO -skabelonen for præcist at indstille nanostrukturen af ​​den resulterende hårde kulelektrode. Efter flere eksperimentelle og teoretiske analyser, de belyste de optimale fremstillingsbetingelser og ingredienser til at producere hårdt kulstof med en kapacitet på 478 mAh/g, det højeste, der nogensinde er rapporteret i denne type materiale. Prof.Komaba udtaler, "Indtil nu, kapaciteten af ​​kulstofbaserede negative elektrode-materialer til natriumionbatterier var for det meste omkring 300 til 350 mAh/g. Selvom værdier nær 438 mAh/g er blevet rapporteret, disse materialer kræver varmebehandling ved ekstremt høje temperaturer over 1900 ° C. I modsætning, vi anvendte varmebehandling ved kun 1500 ° C, en relativt lav temperatur. "Selvfølgelig, med lavere temperatur kommer lavere energiforbrug, hvilket også betyder lavere omkostninger og mindre miljøbelastning.

Kapaciteten af ​​dette nyudviklede hårdkulelektrodemateriale er bestemt bemærkelsesværdigt, og overgår i høj grad grafit (372 mAh/g), som i øjeblikket bruges som det negative elektrode materiale i lithium-ion batterier. I øvrigt, selvom et natriumionbatteri med denne hårde carbon negative elektrode i teorien ville fungere med en 0,3 volt lavere spændingsforskel end et standard lithium-ion batteri, den tidligere kapacitet ville føre til en meget større energitæthed efter vægt (1600 Wh/kg versus 1430 Wh/kg), hvilket resulterer i +19% stigning i energitætheden.

Spændt over resultaterne og med blikket på fremtiden, Prof.Komaba bemærker, "Vores undersøgelse viser, at det er muligt at realisere natriumionbatterier med høj energi, omstødt den almindelige opfattelse, at lithium-ion-batterier har en højere energitæthed. Det hårde carbon med ekstremt høj kapacitet, som vi udviklede, har åbnet en dør til design af nye natriumopbevarende materialer. "

Yderligere undersøgelser vil være påkrævet for at verificere, at det foreslåede materiale faktisk tilbyder en overlegen levetid, input-output egenskaber, og lavtemperaturdrift i egentlige natriumionbatterier. Med noget held, vi er måske ved at være vidne til den næste generation af genopladelige batterier!