Varmen er tændt for genopladelige natrium-manganoxid-batterier

(PhysOrg.com) -- Ved at tilføje den rigtige mængde varme, forskere har udviklet en metode, der forbedrer den elektriske kapacitet og genopladelige levetid for genopladelige natriumionbatterier, som kunne være et billigere alternativ til store anvendelser såsom lagring af energi på elnettet.

For at forbinde sol- og vindenergikilder til elnettet, netforvaltere kræver batterier, der kan lagre store mængder energi, der skabes ved kilden. Lithium-ion genopladelige batterier - almindelige i forbrugerelektronik og elektriske køretøjer - fungerer godt, men er for dyre til udbredt brug på nettet, fordi der vil være brug for mange batterier, og de skal sandsynligvis være store. Natrium er det næstbedste valg, men de natrium-svovl-batterier, der i øjeblikket er i brug, kører ved temperaturer over 300 grader Celsius, eller tre gange temperaturen af ​​kogende vand, hvilket gør dem mindre energieffektive og sikre end batterier, der kører ved omgivende temperaturer.

Batteriudviklere vil have det bedste fra begge verdener - at bruge både billigt natrium og bruge den type elektroder, der findes i genopladelige lithium-batterier. Et team af forskere ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory og gæsteforskere fra Wuhan University i Wuhan, Kina brugte nanomaterialer til at lave elektroder, der kan arbejde med natrium, de rapporterede 3. juni online i tidsskriftet Avancerede materialer .

"Natrium-ion-batteriet fungerer ved stuetemperatur og bruger natriumioner, en ingrediens i kogesalt. Så det bliver meget billigere og sikrere, " sagde PNNL kemiker Jun Liu, som ledede undersøgelsen sammen med Wuhan University kemiker Yuliang Cao.

Elektroderne i lithium genopladelige, som interesserer forskere, er lavet af manganoxid. Atomerne i denne metaloxid danner mange huller og tunneler, som lithiumioner rejser igennem, når batterier oplades eller er i brug. Den frie bevægelse af lithium-ioner gør det muligt for batteriet at holde på elektricitet eller frigive det i en strøm. Men blot at erstatte lithiumioner med natriumioner er problematisk - natriumioner er 70 procent større end lithiumioner og passer ikke så godt i sprækkerne.

For at finde en måde at lave større huller i manganoxidet, PNNL-forskere gik meget meget mindre. De vendte sig mod nanomaterialer - materialer lavet på nanometer-størrelse, eller omkring en million gange tyndere end en skilling -- som har overraskende egenskaber på grund af deres lillehed. For eksempel, de korte afstande, som natriumioner skal rejse i nanotråde, kan gøre manganoxidet til en bedre elektrode på måder, der ikke er relateret til størrelsen af ​​tunnelerne.

At udforske, holdet blandede to forskellige slags manganoxid atomare byggesten - en hvis atomer arrangerer sig i pyramider, og en anden, hvis atomer danner et oktaeder, en diamantlignende struktur fra to pyramider, der sidder sammen ved deres baser. De forventede, at det endelige materiale ville have store S-formede tunneler og mindre femsidede tunneler, som ionerne kunne strømme igennem.

Efter blanding, holdet behandlede materialerne med temperaturer fra 450 til 900 grader Celsius, undersøgte derefter materialerne og testede, hvilken behandling der virkede bedst. Ved hjælp af et scanningselektronmikroskop, holdet fandt ud af, at forskellige temperaturer skabte materiale af forskellig kvalitet. Behandling af manganoxidet ved 750 grader Celsius skabte de bedste krystaller:for lavt, og krystallerne virkede skæve, for højt og krystallerne blev til større flade plader.

Zoomer endnu mere ind ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop på EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL's campus, holdet så, at manganoxid opvarmet til 600 grader havde pockmarks i nanotrådene, der kunne hindre natriumionerne, men de 750 grader behandlede ledninger så ensartede og meget krystallinske ud.

Men selv det flotteste materiale er bare vinduespredning, hvis det ikke klarer sig godt. For at finde ud af, om den levede op til sit flotte udseende, PNNL-Wuhan-teamet dyppede elektrodematerialet i elektrolyt, væsken, der indeholder natriumioner, der vil hjælpe manganoxidelektroderne til at danne en strøm. Derefter opladede og afladede de eksperimentelle battericeller gentagne gange.

Holdet målte topkapaciteten til 128 milliAmp timer pr. gram elektrodemateriale, da den eksperimentelle battericelle aflades. Dette resultat overgik tidligere resultater taget af andre forskere, hvoraf den ene opnåede en maksimal kapacitet på 80 milliAmp timer pr. gram for elektroder fremstillet af manganoxid, men med en anden produktionsmetode. Forskerne mener, at den lavere kapacitet skyldes, at natriumioner forårsager strukturelle ændringer i det manganoxid, som ikke forekommer eller forekommer sjældnere i det varmebehandlede materiale i nanostørrelse.

Ud over høj kapacitet, materialet holdt godt til cyklusser med opladning og afladning, som det ville ske ved forbrugerbrug. Igen, materialet behandlet ved 750 Celsius klarede sig bedst:efter 100 cyklusser med opladning-afladning, den mistede kun 7 procent af sin kapacitet. Materiale behandlet ved 600 Celsius eller 900 Celsius mistede omkring 37 procent og 25 procent, henholdsvis.

Selv efter 1. 000 cyklusser, kapaciteten af ​​de 750 Celsius-behandlede elektroder faldt kun omkring 23 procent. Forskerne syntes, at materialet fungerede meget godt, bevarer 77 procent af sin oprindelige kapacitet.

Sidst, holdet opladede den eksperimentelle celle ved forskellige hastigheder for at bestemme, hvor hurtigt den kunne optage elektricitet. Holdet fandt ud af, at jo hurtigere de opladede det, jo mindre strøm kunne den indeholde. Dette foreslog holdet, at den hastighed, hvormed natriumioner kunne diffundere ind i manganoxidet, begrænsede battericellens kapacitet - når den oplades hurtigt, natriumionerne kunne ikke komme ind i tunnelerne hurtigt nok til at fylde dem op.

For at kompensere for de langsomme natriumioner, forskerne foreslår, at de i fremtiden laver endnu mindre nanotråde for at fremskynde opladning og afladning. Netbatterier har brug for hurtig opladning, så de kan indsamle så meget nyproduceret energi fra vedvarende kilder som muligt. Og de skal aflade hurtigt, når efterspørgslen skyder op, når forbrugerne tænder for deres klimaanlæg og fjernsyn, og tilslutte deres elbiler derhjemme.

Sådanne højtydende batterier kunne tage varmen fra et allerede beskattet elnet.