Onderzoekers van het Nagoya Institute of Technology (NITech) in Japan hebben aangetoond dat een specifiek materiaal kan fungeren als een efficiënt batterijonderdeel voor natrium-ionbatterijen dat zal concurreren met lithium-ionbatterijen voor verschillende batterijkenmerken, vooral snelheid van opladen.

De bevinding werd gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten in november 2018 en de studie werd geleid door Naoto Tanibata, doctoraat, een assistent-professor aan de afdeling geavanceerde keramiek van NITech.

De populaire lithium-ionbatterijen hebben verschillende voordelen:ze zijn oplaadbaar en hebben een breed toepassingsspectrum. Ze worden gebruikt in apparaten zoals laptops en mobiele telefoons, maar ook in hybride en volledig elektrische auto's. Het elektrische voertuig, dat een essentiële technologie is voor het bestrijden van vervuiling in plattelandsgebieden en het inluiden van schoon en duurzaam vervoer, is een belangrijke speler in de inspanningen om de energie- en milieucrises op te lossen. Een nadeel van lithium is dat het een beperkte hulpbron is. Het is niet alleen duur, maar de jaarlijkse productie is (technisch) beperkt (vanwege het droogproces). Gezien de toegenomen vraag naar batterijgevoede apparaten en met name elektrische auto's, de noodzaak om een ​​alternatief voor lithium te vinden - een alternatief dat zowel goedkoop als overvloedig is - wordt dringend.

Natrium-ionbatterijen zijn om verschillende redenen een aantrekkelijk alternatief voor op lithium gebaseerde ionbatterijen. Natrium is geen beperkte hulpbron - het is overvloedig aanwezig in de aardkorst en in zeewater. Ook, op natrium gebaseerde componenten hebben de mogelijkheid om een ​​veel snellere oplaadtijd op te leveren, gezien het juiste ontwerp van de kristalstructuur. Echter, natrium kan niet zomaar worden vervangen door lithium dat in de huidige batterijmaterialen wordt gebruikt, omdat het een grotere ionengrootte en een iets andere chemie heeft. Daarom, onderzoekers hebben de taak om het beste materiaal voor een natriumionbatterij te vinden bij een groot aantal kandidaten door middel van een trial-and-error-aanpak.

Wetenschappers van NITech hebben een rationele en efficiënte manier gevonden om dit probleem te omzeilen. Na het extraheren van ongeveer 4300 verbindingen uit een kristalstructuurdatabase en het volgen van een high-throughput-berekening van deze verbindingen, een daarvan leverde gunstige resultaten op en was daarom een ​​veelbelovende kandidaat als natrium-ion batterijcomponent. De onderzoekers ontdekten dat Na ₂ V ₃ O ₇ demonstreert gewenste elektrochemische prestaties, evenals kristal- en elektronische structuren. Deze verbinding belooft snelle oplaadprestaties, omdat het binnen 6 minuten stabiel kan worden opgeladen. De onderzoekers toonden ook aan dat de verbinding een lange levensduur van de batterij en een korte oplaadtijd oplevert.

"Ons doel was om de grootste hindernis aan te pakken waarmee grootschalige batterijen worden geconfronteerd in toepassingen zoals elektrische auto's die sterk afhankelijk zijn van lange oplaadduur. We benaderden het probleem via een zoektocht die materialen zou opleveren die efficiënt genoeg zijn om de snelheid van een batterij te verhogen".

Ondanks de gunstige eigenschappen en de algehele gewenste impact op natrium-ionbatterijen, vonden de onderzoekers dat Na ₂ V ₃ O ₇ verslechtering onderging in de laatste laadfasen, wat de praktische opslagcapaciteit beperkt tot de helft van de theoretische. Als zodanig, in hun toekomstige experimenten, de onderzoekers willen zich richten op het verbeteren van de prestaties van dit materiaal, zodat het stabiel kan blijven gedurende de volledige duur van de oplaadfasen. "Ons uiteindelijke doel is om een ​​methode vast te stellen waarmee we batterijmaterialen efficiënt kunnen ontwerpen via een combinatie van computationele en experimentele methoden, "Dr. Tanibata voegt eraan toe.