Udskiftning af lithium med natrium i batterier

Et internationalt hold af forskere fra NUST MISIS, Russian Academy of Science og Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf har fundet ud af, at i stedet for lithium (Li), natrium (Na) "stablet" på en særlig måde kan bruges til batteriproduktion. Natriumbatterier ville være betydeligt billigere og tilsvarende eller endda mere rummelige end eksisterende lithiumbatterier. Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Nano energi .

Det er svært at overvurdere lithium-ion-batteriers rolle i det moderne liv. Disse batterier bruges overalt:i mobiltelefoner, bærbare computere, kameraer, samt i forskellige typer køretøjer og rumskibe. Li-ion-batterier kom på markedet i 1991, og i 2019, deres opfindere blev tildelt Nobelprisen i kemi for deres revolutionerende bidrag til udviklingen af ​​teknologi. På samme tid, lithium er et dyrt alkalimetal, og dens reserver er begrænsede globalt. I øjeblikket, der er ikke noget fjernt effektivt alternativ til lithium-ion-batterier. På grund af det faktum, at lithium er et af de letteste kemiske grundstoffer, det er meget svært at udskifte det for at skabe rummelige batterier.

Holdet af forskere fra NUST MISIS, Russian Academy of Science og Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, ledet af professor Arkadiy Krashennikov, foreslår et alternativ. De fandt ud af, at hvis atomerne inde i prøven er "stablet" på en bestemt måde, så udviser andre alkalimetaller end lithium også høj energiintensitet. Den mest lovende erstatning for lithium er natrium (Na), da et to-lags arrangement af natriumatomer i bigraphen sandwich demonstrerer anodekapacitet, der kan sammenlignes med kapaciteten af ​​en konventionel grafitanode i Li-ion-batterier - omkring 335 mA*h/g mod 372 mA*h/g for lithium. Imidlertid, natrium er meget mere almindeligt end lithium, og derfor billigere og lettere at få.

En særlig måde at stable atomer på er faktisk at placere dem over hinanden. Denne struktur er skabt ved at overføre atomer fra et stykke metal til rummet mellem to ark grafen under højspænding, som simulerer processen med at oplade et batteri. Til sidst, det ligner en sandwich bestående af et lag kulstof, to lag alkalimetal, og endnu et lag kulstof.

Ilya Chepkasov, forsker ved NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials, siger, "I lang tid, det blev antaget, at lithium-atomer i batterier kun kan være placeret i et lag, ellers vil systemet være ustabilt. På trods af dette, nylige eksperimenter fra vores tyske kolleger har vist, at med omhyggelig udvælgelse af metoder, det er muligt at skabe flerlags stabile lithiumstrukturer mellem grafenlag. Dette åbner op for brede perspektiver for at øge kapaciteten af ​​sådanne strukturer. Derfor, vi var interesserede i at studere muligheden for at danne flerlagsstrukturer med andre alkalimetaller, herunder natrium, ved hjælp af computersimulering."

Zakhar Popov, seniorforsker ved NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials and RAS, siger, "Vores simulering viser, at lithiumatomer binder sig meget stærkere til grafen, men forøgelse af antallet af lag lithium fører til mindre stabilitet. Den modsatte tendens ses i tilfælde af natrium - efterhånden som antallet af lag natrium stiger, stabiliteten af ​​sådanne strukturer øges, så vi håber, at sådanne materialer vil blive opnået i eksperimentet."

Det næste trin i forskerholdet er at skabe en eksperimentel prøve og studere den i laboratoriet. Dette vil blive håndteret i Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Tyskland. Hvis det lykkes, it could lead to a new generation of Na batteries that will be significantly cheaper and equivalently or even more capacious than Li-ion batteries.