Wetenschappers hebben een nieuw type kathode ontworpen die de massaproductie van natriumbatterijen haalbaarder zou kunnen maken. Batterijen op basis van overvloedig en goedkoop natrium zijn van groot belang voor zowel wetenschappers als de industrie, omdat ze een kostenefficiënter productieproces voor energieopslagsystemen op netschaal kunnen vergemakkelijken, consumentenelektronica en elektrische voertuigen. De ontdekking was een samenwerking tussen onderzoekers van het Institute of Chemistry (IOC) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Lithiumbatterijen worden vaak aangetroffen in consumentenelektronica zoals smartphones en laptops, maar de laatste jaren de elektrische voertuigindustrie begon ook lithiumbatterijen te gebruiken, waardoor de vraag naar bestaande lithiumbronnen aanzienlijk toeneemt.

"Vorig jaar nog de prijs van lithiumcarbonaat verdrievoudigd, omdat de Chinese markt voor elektrische voertuigen begon te bloeien, " zei Xiao-Qing Yang, een fysicus bij de Chemistry Division van Brookhaven Lab en de hoofdonderzoeker van Brookhaven voor deze studie.

In aanvulling, de ontwikkeling van nieuwe elektriciteitsnetten waarin hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zonne-energie zijn verwerkt, stimuleert ook de behoefte aan nieuwe batterijtechnologieën. Omdat deze energiebronnen niet altijd beschikbaar zijn, Er zijn energieopslagsystemen op grid-schaal nodig om de overtollige energie op te slaan die wordt geproduceerd wanneer de zon schijnt en de wind waait.

Wetenschappers zijn op zoek naar nieuwe batterijchemie met materialen die gemakkelijker verkrijgbaar zijn dan lithium. Natrium is een van de meest wenselijke opties voor onderzoekers omdat het bijna overal voorkomt en veel minder giftig is voor mensen dan lithium.

Maar natrium vormt een grote uitdaging wanneer het wordt opgenomen in een traditioneel batterijontwerp. Bijvoorbeeld, de kathode van een typische batterij bestaat uit metaal- en zuurstofionen die in lagen zijn gerangschikt. Bij blootstelling aan lucht, de metalen in de kathode van een natriumbatterij kunnen worden geoxideerd, de prestaties van de batterij verminderen of zelfs volledig inactief maken.

De onderzoekers van IOC van CAS en Jiangxi Normal University probeerden dit probleem op te lossen door verschillende soorten metalen in de kathode te vervangen en de ruimte tussen deze metalen te vergroten. Vervolgens, met behulp van de Inner-Shell Spectroscopy (ISS)-bundellijn bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een DOE Office of Science User Facility - vergeleken de onderzoekers van Brookhaven de structuren van batterijmaterialen met niet-gesubstitueerde materialen met deze nieuwe batterijmaterialen met vervangende metalen .

"We gebruiken de bundellijn om te bepalen hoe metalen in het kathodemateriaal oxidatietoestanden veranderen en hoe dit correleert met de efficiëntie en levensduur van de batterijstructuur, " zegt Eli Stavitski, een fysicus bij de bundellijn van het ISS."

De ISS-bundellijn was de eerste operationele röntgenspectroscopiebundellijn bij NSLS-II. Hier, onderzoekers schijnen een ultraheldere röntgenstraal door materialen om te observeren hoe licht wordt geabsorbeerd of opnieuw uitgezonden. Met deze waarnemingen kunnen onderzoekers de structuur van verschillende materialen bestuderen, inclusief hun chemische en elektronische toestanden.

De ISS-bundellijn, die speciaal is ontworpen voor experimenten op hoge snelheid, stelden de onderzoekers in staat om realtime veranderingen in de batterij te meten tijdens de laad-ontlaadprocessen. Op basis van hun waarnemingen bij de bundellijn, Het team van Brookhaven ontdekte dat oxidatie in de natriumbatterijen werd onderdrukt door gesubstitueerde metalen. wat aangeeft dat de nieuw ontworpen natriumbatterijen stabiel waren bij blootstelling aan lucht. Dit is een grote stap voorwaarts om toekomstige massaproductie van natriumbatterijen mogelijk te maken.

De onderzoekers zeggen dat deze studie de eerste van vele is die de ISS-bundellijn bij NSLS-II zal gebruiken om de studie van batterijen te bevorderen.