Wetenschappers van de Universiteit van Birmingham maken de weg vrij om het lithium in lithium-ionbatterijen te vervangen door natrium, volgens onderzoek gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Lithium-ionbatterijen (LIB) zijn oplaadbaar en worden veel gebruikt in laptops, mobiele telefoons en in hybride en volledig elektrische voertuigen. Het elektrische voertuig is een cruciale technologie om vervuiling in steden te bestrijden en een tijdperk van schoon, duurzaam vervoer te realiseren.

Lithium is echter duur en de hulpbronnen zijn ongelijk verdeeld over de planeet. Bij de lithiumwinning worden grote hoeveelheden drinkwater gebruikt en de winningstechnieken worden energie-intensiever naarmate de lithiumvraag stijgt – een 'eigen doel' op het gebied van duurzaamheid.

Met de steeds toenemende vraag naar elektrische auto's, de behoefte aan betrouwbare oplaadbare batterijen neemt enorm toe, er is dus veel belangstelling voor het vinden van een andere ladingdrager dan lithium die goedkoop en gemakkelijk toegankelijk is.

Natrium is goedkoop en is te vinden in zeewater en is dus vrijwel onbeperkt. Echter, natrium is een groter ion dan lithium, dus het is niet mogelijk om het simpelweg te "ruilen" voor lithium in de huidige technologieën. Bijvoorbeeld, in tegenstelling tot lithium, natrium past niet tussen de koolstoflagen van de alomtegenwoordige LIB-anode, grafiet.

De wetenschappers moesten nieuwe materialen vinden om te fungeren als batterijcomponenten voor natrium-ionbatterijen die zullen concurreren met lithium voor capaciteit, snelheid van opladen, energie en vermogensdichtheid.

Het uitvoeren van kwantummechanische modellen op supercomputers, Het team van Dr. Andrew Morris van de afdeling Metallurgie en Materialen van de Universiteit van Birmingham kon voorspellen wat er gebeurt als natrium in fosfor wordt ingevoegd.

In samenwerking met Dr. Lauren Marbella en het team van professor Clare Grey aan de Universiteit van Cambridge, die de experimenten heeft uitgevoerd die de voorspellingen hebben geverifieerd, ze ontdekten dat de fosfor helices vormt in tussenliggende stadia van opladen.

De onderzoekers identificeerden de uiteindelijke samenstelling van de elektrode, die een uiteindelijke capaciteit van ladingsdragers biedt die zeven keer zo groot is als die van grafiet voor hetzelfde gewicht. Dit geeft ons nieuwe inzichten in het maken van natriumionanoden met hoge capaciteit.

Dr. Andrew Morris zei:"Dit is een enorme overwinning voor de computationele materiaalwetenschap. We voorspelden hoe fosfor zich zou gedragen als een elektrode in 2016 en waren nu in staat, met het team van professor Grey om inzicht te geven in experimenten en te leren hoe we onze voorspellingen kunnen verbeteren. Het is verbazingwekkend hoe krachtig de gecombineerde theorie-experimentele benaderingen zijn."