Forskere producerer ensartede antimon-nanokrystaller til energilagring

Forskere fra Empa og ETH Zürich er for første gang lykkedes med at fremstille ensartede antimon-nanokrystaller. Testet som komponenter i laboratoriebatterier, disse er i stand til at opbevare et stort antal både lithium- og natriumioner. Disse nanomaterialer fungerer med høj hastighed og kan i sidste ende blive brugt som alternative anodematerialer i fremtidige batterier med høj energitæthed.

Jagten er i gang – efter nye materialer, der skal bruges i den næste generation af batterier, der en dag kan erstatte nuværende lithium-ion-batterier. I dag, sidstnævnte er almindelige og giver en pålidelig strømkilde til smartphones, bærbare computere og mange andre bærbare elektriske enheder. På den ene side, imidlertid, elektrisk mobilitet og stationær ellagring kræver et større antal kraftigere batterier; og den store efterspørgsel efter lithium kan i sidste ende føre til mangel på råmaterialet. Det er grunden til, at konceptuelt identisk teknologi baseret på natriumioner vil få stigende opmærksomhed i de kommende år. Selvom der er blevet forsket i 20 år, materialer, der kan lagre natriumioner, forbliver knappe.

Antimon elektroder?

Et hold fra Empa og ETH Zürich ledet af Empa-forskeren Maksym Kovalenko er muligvis kommet et skridt tættere på at identificere alternative batterimaterialer:de er blevet de første til at syntetisere ensartede antimon-nanokrystaller, hvis særlige egenskaber gør dem til de bedste kandidater til et anodemateriale til både lithium-ion- og natriumion-batterier. Resultaterne af forskernes undersøgelse er netop blevet offentliggjort i Nano bogstaver .

I lang tid, antimon er blevet betragtet som et lovende anodemateriale til højtydende lithium-ion-batterier, da denne metalloid udviser en høj ladekapacitet, med en faktor to højere end for almindeligt anvendt grafit. Indledende undersøgelser viste, at antimon kunne være egnet til genopladelige lithium- og natriumionbatterier, fordi det er i stand til at opbevare begge slags ioner. Natrium betragtes som et muligt billigt alternativ til lithium, da det er meget mere naturligt rigeligt, og dets reserver er mere jævnt fordelt på Jorden.

For at antimon kan opnå sin høje lagringsevne, imidlertid, det skal produceres i en speciel form. Forskerne formåede kemisk at syntetisere ensartede – såkaldte "monodisperse" – antimon-nanokrystaller, der var mellem ti og tyve nanometer store. Nanokrystaller har en afgørende fordel i forhold til partikler af større størrelse:den fulde lithiation eller sodiation af antimon fører til store volumetriske ændringer. Ved hjælp af nanokrystaller, disse moduleringer af lydstyrken kan være reversible og hurtige, og ikke føre til umiddelbar brud på materialet. En yderligere vigtig fordel ved nanokrystaller (eller nanopartikler) er, at de kan blandes med et ledende kulstoffyldstof for at forhindre aggregering af nanopartiklerne.

Ideel kandidat til anodemateriale

Elektrokemiske test viste, at elektroder lavet af antimon-nanokrystaller fungerer lige godt i natrium- og i lithium-ion-batterier. Dette gør antimon særligt lovende for natriumbatterier, fordi de bedste lithium-lagrende anodematerialer (grafit og silicium) ikke fungerer med natrium.

Meget monodisperse nanokrystaller, med en størrelsesafvigelse på ti procent eller mindre, gør det muligt at identificere det optimale forhold mellem størrelse og ydeevne. Nanokrystaller på ti nanometer eller mindre lider af oxidation på grund af det for store overfladeareal. På den anden side, antimonkrystaller med en diameter på mere end 100 nanometer er ikke tilstrækkeligt stabile på grund af den førnævnte massive volumenudvidelse og sammentrækning under driften af ​​et batteri. Forskerne opnåede de bedste resultater med 20 nanometer store partikler.

Et andet vigtigt resultat af undersøgelsen, muliggjort af disse ultraensartede partikler, er, at forskerne identificerede et størrelsesområde på omkring 20 til 100 nanometer, inden for hvilket dette materiale viser sig fremragende, størrelse uafhængig ydeevne, både hvad angår energitæthed og hastighedsevne. Disse egenskaber gør det endda muligt at bruge polydisperse antimonpartikler for at opnå samme ydeevne som med meget monodisperse partikler, så længe deres størrelser forbliver inden for dette størrelsesområde på 20 til 100 nanometer. Eksperimenter fra Kovalenkos gruppe på monodisperse nanopartikler af andre materialer viser meget stejlere forhold mellem størrelse og ydeevne, såsom hurtig ydeevneforfald med forøgelse af partikelstørrelsen, placerer antimon i en unik position blandt de materialer, der legeres med lithium og natrium. "Dette forenkler i høj grad opgaven med at finde en økonomisk levedygtig syntesemetode", siger Kovalenko. "Udvikling af en sådan omkostningseffektiv syntese er det næste skridt for os, sammen med vores industrielle partner."

Dyrere alternativ

Betyder det, at et alternativ til nutidens lithium-ion-batterier er inden for vores rækkevidde? Kovalenko ryster på hovedet. Selvom metoden er forholdsvis ligetil, produktionen af ​​et tilstrækkeligt antal ensartede antimon-nanokrystaller af høj kvalitet er stadig for dyrt. "Alt i alt, batterier med natriumioner og antimon-nanokrystaller som anoder vil kun udgøre et meget lovende alternativ til nutidens lithium-ion-batterier, hvis produktionsomkostningerne vil være sammenlignelige, " han siger.

Der vil højst sandsynligt gå endnu et årti eller deromkring, før et natriumionbatteri med antimonelektroder kan komme på markedet. Forskningen om emnet er stadig kun i sin vorden. "Imidlertid, andre forskergrupper vil snart tilslutte sig indsatsen, "kemikeren er overbevist.

Kort sagt:Lithium-ion-batterier

Et nuværende lithium-ion-batteri består af to elektroder - en katode og en anode. Anoden er ofte lavet af grafit, katoden af ​​metaloxider såsom koboltoxid. Lithiumionerne sætter sig fast i disse materialer under opladnings- eller afladningsprocesserne. De to elektroder er adskilt af en separator, der kun er permeabel for lithiumioner, der bevæger sig mellem de to elektroder. Under batteriafladning, lithium-ionerne skifter fra anoden til katoden. Elektronerne tager en "omvej" via en ekstern elektronisk enhed, som drives af den resulterende elektronflux. Elektroner og ioner mødes igen ved katoden. Når batteriet oplades, lithium-ioner og elektroner strømmer i den modsatte retning. For at batteriet skal fungere effektivt og i lang tid, ionerne skal let kunne bevæge sig ind og ud af elektrodematerialerne. Formen og størrelsen af ​​elektrodematerialerne bør ikke ændre sig meget gennem den tilbagevendende absorption og frigivelse af ionerne.