Batterijen voeden ons leven:we vertrouwen erop om onze mobiele telefoons en laptops aan de gang te houden en onze hybride en elektrische auto's op de weg te houden. Maar de steeds toenemende acceptatie van de meest gebruikte lithium-ionbatterijen kan zelfs leiden tot hogere kosten en mogelijke tekorten aan lithium. Daarom wordt intensief onderzoek gedaan naar natriumionbatterijen als mogelijke vervanging. Ze presteren goed, en natrium, een alkalimetaal nauw verwant aan lithium, is goedkoop en overvloedig.

De uitdaging? Natrium-ionbatterijen hebben een kortere levensduur dan hun op lithium gebaseerde broers en zussen.

Nutsvoorzieningen, UC Santa Barbara, computermateriaalwetenschapper Chris Van de Walle en collega's hebben een reden ontdekt voor dit capaciteitsverlies in natriumbatterijen:de onbedoelde aanwezigheid van waterstof, wat leidt tot degradatie van de batterij-elektrode. Van de Walle en co-auteurs Zhen Zhu en Hartwin Peelaers publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Chemie van materialen .

"Waterstof is vaak aanwezig tijdens de fabricage van het kathodemateriaal, of het kan worden opgenomen uit de omgeving of uit de elektrolyt, " zei Zhu, wie zit er nu bij Google. "Het is bekend dat waterstof de eigenschappen van elektronische materialen sterk beïnvloedt, dus we waren benieuwd naar het effect op NaMnO ₂ (natriummangaandioxide), een veelgebruikt kathodemateriaal voor natrium-ionbatterijen." Om dit te bestuderen, de onderzoekers gebruikten computationele technieken die de structurele en chemische effecten kunnen voorspellen die ontstaan ​​door de aanwezigheid van onzuiverheden.

Professor Peelaers, nu aan de Universiteit van Kansas, beschreef de belangrijkste bevindingen:"We realiseerden ons al snel dat waterstof heel gemakkelijk in het materiaal kan doordringen, en dat zijn aanwezigheid de mangaanatomen in staat stelt los te breken van de mangaanoxide-ruggengraat die het materiaal bij elkaar houdt. Deze verwijdering van mangaan is onomkeerbaar en leidt tot een afname van de capaciteit en, uiteindelijk, degradatie van de batterij."

De studies werden uitgevoerd in de Computational Materials Group van Van De Walle aan de UC Santa Barbara.

"Eerder onderzoek had aangetoond dat verlies van mangaan kan plaatsvinden op het grensvlak met de elektrolyt of kan worden geassocieerd met een faseovergang, maar het identificeerde niet echt een trigger, "Zei Van de Walle. "Onze nieuwe resultaten laten zien dat het verlies van mangaan overal in het materiaal kan optreden, als waterstof aanwezig is. Omdat waterstofatomen zo klein en reactief zijn, waterstof is een veel voorkomende verontreiniging in materialen. Nu de schadelijke impact ervan is gesignaleerd, maatregelen kunnen worden genomen tijdens de fabricage en inkapseling van de batterijen om de opname van waterstof te onderdrukken, wat moet leiden tot betere prestaties."

In feite, de onderzoekers vermoeden dat zelfs de alomtegenwoordige lithium-ionbatterijen kunnen lijden onder de nadelige gevolgen van onbedoelde waterstofopname. Of dit minder problemen oplevert omdat de fabricagemethoden verder zijn gevorderd in dit volwassen materialensysteem, of omdat er een fundamentele reden is waarom de lithiumbatterijen beter bestand zijn tegen waterstof is op dit moment niet duidelijk, en zal een gebied van toekomstig onderzoek zijn.