In de strijd om de batterijen, lithium-iontechnologie is de regerend kampioen, die mobiele telefoon in uw zak van stroom te voorzien, evenals een toenemend aantal elektrische voertuigen op de weg.

Maar een nieuw materiaal op basis van mangaan en natriumionen, ontwikkeld aan de Universiteit van Texas in Dallas, in samenwerking met Seoul National University, kan een kanshebber worden, mogelijk goedkoper aanbieden, milieuvriendelijkere optie om apparaten van de volgende generatie en elektrische auto's van brandstof te voorzien.

Batterijkosten zijn een groot probleem, zei Dr. Kyeongjae Cho, hoogleraar materiaalkunde en engineering aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science en senior auteur van een paper waarin het nieuwe materiaal in het tijdschrift wordt beschreven Geavanceerde materialen .

Nu fabrikanten – en consumenten – streven naar meer elektrische voertuigen (EV's), lithiumproductie kan het moeilijk hebben om de toenemende vraag bij te houden, zei Cho. Volgens een recent rapport van het Internationaal Energie Agentschap, de wereldwijde voorraad elektrische auto's overtrof in 2016 de 2 miljoen voertuigen, na het overschrijden van de grens van 1 miljoen in 2015. Het rapport merkt op dat, afhankelijk van de beleidsomgeving, er is een goede kans dat het in 2020 tussen de 9 miljoen en 20 miljoen zal liggen en in 2025 tussen de 40 miljoen en 70 miljoen.

In termen van kostenbesparingen in de EV-batterij, het gebruik van natrium zou minder duur zijn omdat natrium overvloediger is, maar het heeft een aantal nadelen.

"Lithium is een duurdere, beperkte hulpbron die moet worden gewonnen uit slechts een paar gebieden op de wereld, " zei Cho. "Er zijn geen mijnbouwproblemen met natrium - het kan uit zeewater worden gewonnen. Helaas, hoewel natrium-ionbatterijen misschien minder duur zijn dan die met lithium, natrium heeft de neiging om 20 procent lagere energiedichtheid te bieden dan lithium."

De energiedichtheid, of energieopslagcapaciteit, van een batterij bepaalt de looptijd van een apparaat.

"We hebben onze eerdere ervaring gebruikt en over deze problemen nagedacht - hoe kunnen we deze ideeën combineren om met iets nieuws te komen om het probleem op te lossen?" zei Cho.

Een batterij bestaat uit een positieve elektrode, of anode; een negatieve elektrode, of kathode; en een elektrolyt ertussen. In een standaard lithium-ionbatterij, de kathode is gemaakt van lithium, kobalt, nikkel en zuurstof, terwijl de anode is gemaakt van grafiet, een soort koolstof. Wanneer de batterij wordt opgeladen, lithiumionen bewegen door de elektrolyt naar de anode en hechten zich aan de koolstof. Tijdens het lossen, de lithiumionen gaan terug naar de kathode en leveren elektrische energie om apparaten te laten werken.

"Er was enkele jaren geleden grote hoop bij het gebruik van mangaanoxide in kathoden van lithium-ionbatterijen om de capaciteit te vergroten, maar helaas, die combinatie wordt onstabiel, ' zei Cho.

In het door Cho en zijn collega's ontwikkelde ontwerp natrium vervangt het grootste deel van het lithium in de kathode, en mangaan wordt gebruikt in plaats van de duurdere en zeldzamere elementen kobalt en nikkel.

"Ons natriumion-materiaal is stabieler, maar het behoudt nog steeds de hoge energiecapaciteit van lithium, " zei Cho. "En we geloven dat dit schaalbaar is, dat is het hele punt van ons onderzoek. We willen het materiaal zo maken dat het proces compatibel is met commerciële massaproductie."

Op basis van hun kennis van de natuurkunde en scheikunde van andere experimentele materialen, de onderzoekers vielen het probleem aan met rationeel materiaalontwerp. Ze voerden eerst computersimulaties uit om de configuratie te bepalen van atomen die de meeste belofte vertoonden voordat ze het materiaal in het laboratorium maakten en testten.

Cho zei dat zijn onderzoek niet alleen gaat over het bedenken van een betere batterij. Hoe het onderzoek is gedaan is net zo belangrijk en interessant, hij zei.

"Toen Thomas Edison een gloeilamp probeerde te ontwikkelen, hij probeerde duizenden verschillende materialen voor het filament om te zien welke werkten, Cho zei. "Om zeer belangrijke technische problemen in de huidige samenleving op te lossen, we moeten veel nieuwe materialen ontwikkelen:batterijmaterialen, materialen voor verontreinigingsbeheersing en andere. Edison perfectioneerde één item - de gloeilamp - maar we hebben nog zoveel meer technologische behoeften. We hebben geen tijd om te blijven proberen om per ongeluk de oplossing te vinden."