Onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen en de Technische Universiteit Delft (TU Delft) hebben een methode ontwikkeld om de atomaire structuur van natrium-ionbatterijen te voorspellen. Tot nu, dit was zelfs met de beste supercomputers onmogelijk. De bevindingen kunnen het onderzoek naar natriumionbatterijen aanzienlijk versnellen. Als resultaat, dit type batterij kan een serieuze technologie worden naast de populaire Li-ion-batterijen in onze smartphones, laptops en elektrische auto's. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Mobieltjes, laptops en elektrische auto's bevatten allemaal lithium-ionbatterijen. In termen van prestaties en energiedichtheid, deze batterijen zijn ongeëvenaard. Toch heeft de commerciële afhankelijkheid van één type batterij ook nadelen. Neem kobalt, bijvoorbeeld. Tot dusver, ondanks veel onderzoek, het produceren van lithium-ionbatterijen zonder deze zeldzame hulpbron was niet mogelijk. Kobalt wordt bijna uitsluitend in Congo gewonnen onder barre omstandigheden en met een grote impact op het milieu.

Lithium is een hulpbron die op de lange termijn problematisch kan worden. "Momenteel, we hebben er meer dan genoeg van, ", zegt TU Delft-onderzoeker Marnix Wagemaker. "Maar als we in de toekomst allemaal elektrisch gaan rijden en we grote batterijen nodig hebben om thuis zonne-energie op te slaan, we zullen ook een enorme hoeveelheid lithium nodig hebben." Dat kan een probleem worden omdat de lithiumreserves allesbehalve oneindig zijn.

keukenzout

Onderzoekers geloven dat natrium-ionbatterijen potentieel hebben. De naam zegt het al:in plaats van lithium, dit type batterij is gebaseerd op natrium, dat zit in keukenzout, onder andere. In theorie, Na-ionbatterijen presteren niet zo goed als Li-ionbatterijen, maar de kloof is niet zo groot. loonmaker zegt, "Op labschaal Na-ion-batterijen kunnen een energiedichtheid bereiken die slechts 20 tot 30% lager is dan die van Li-ion-batterijen. Ze zijn dus niet concurrerend als het gaat om mobiele telefoons of elektrische auto's. Maar voor situaties waarin gewicht iets minder belangrijk is, bijvoorbeeld in maritieme toepassingen of in voertuigen die vaak kunnen worden opgeladen, ze kunnen een goed alternatief zijn."

Na-ionbatterijen zouden ook geschikt zijn voor stationair gebruik, bijvoorbeeld, in een powerwall thuis of in een batterijpark dat wind- en zonne-energie opslaat. In aanvulling, Na-ionbatterijen bieden meer mogelijkheden in het gebruik van grondstoffen om betere en goedkopere positieve elektroden op te bouwen. Deze veelzijdigheid maakt het veel gemakkelijker om kobalt, bijvoorbeeld, vergeleken met de positieve elektroden in Li-ion batterijen. Kobalt is niet alleen duur, maar vormt ook een ethisch probleem vanuit het oogpunt van arbeidsuitbuiting.

Eindeloos

Ironisch, deze veelzijdigheid is ook de vloek van de natriumionbatterij. Li-ionbatterijen werken slechts met een beperkt aantal grondstoffen en materiaalstructuren, en het is relatief duidelijk wat het beste 'recept' voor een kathode is. Niet zo voor Na-ion batterijen. "Afhankelijk van de precieze cocktail van elementen, je zult eindigen met subtiele verschillen in de atomaire structuur van de positieve elektrode, die een grote invloed hebben op de prestaties van de batterij, Wagemaker legt uit. "Met slechts een handvol elementen, er zijn zoveel structurele mogelijkheden dat zelfs de snelste supercomputer niet kan voorspellen hoe de verschillende combinaties zullen uitpakken. Als resultaat, de ontwikkeling van nieuwe materialen verloopt traag."

Minstens, dat is tot nu toe het geval geweest. Maar de Delftse onderzoekers en hun Chinese collega's hebben een manier gevonden om het ideale recept voor de kathode te voorspellen. Op atomair niveau is een kathode lijkt veel op een sandwich:hij is opgebouwd uit meerdere lagen, met ionen ertussen. "Eerst leek het alsof de grootte van de ionen de atomaire structuur bepaalde, ', zegt Wagemaker. 'Maar al snel werd duidelijk dat dat niet de enige factor was. De verdeling van de elektrische lading van de ionen speelt een cruciale rol."

Geologie

Dit was een cruciaal inzicht voor de onderzoekers omdat de verhouding tussen de grootte van een ion en zijn lading, de zogenaamde "ionische potentiaal, " staat bekend om zijn voorspellende waarde. "In de geologie, deze relatie wordt al tientallen jaren gebruikt om te begrijpen waarom, bijvoorbeeld, bepaalde ijzeroxiden zijn beter oplosbaar dan andere, ", zegt Wagemaker. "Dit kan iets onthullen over de vorming van bepaalde aardlagen, of over andere geologische processen."

De vraag was of deze relatie ook bruikbaar zou zijn op atomaire schaal. Het bleek dat het was. De onderzoekers ontwikkelden een eenvoudige formule op basis van de ionische potentiaal. "Met deze formule kunnen we voorspellen welke structuur we zullen krijgen bij welke verhouding van een selectie van grondstoffen, " aldus Wagemaker. "De formule leidt ons door het enorme aantal mogelijkheden naar de elektrodematerialen die de beste prestaties kunnen leveren."

In opkomst

De onderzoekers testten hun formule ook door nieuwe materialen te ontwerpen. "We hebben geprobeerd een kathode te maken met de hoogst mogelijke energiedichtheid, en een die je heel snel kunt opladen, ", zegt Wagemaker. "In beide gevallen het is ons gelukt. Qua energiedichtheid zaten we precies op de bovengrens van wat mogelijk is. Ik hou van het feit dat zo'n eenvoudige formule, gebaseerd op een heel oud idee uit de geologie, kan met zo'n nauwkeurigheid voorspellingen doen op atomaire schaal."

Dit onderzoek richtte zich op één onderdeel van een batterij:de kathode. Een logische volgende stap is om ook te kijken naar andere soorten constructies, zowel in elektroden als elektrolyten voor verschillende soorten batterijen. Kan deze nieuwe aanpak daar ook een rol spelen? Marnix Wagemaker denkt van wel. "Dat gaan we de komende tijd onderzoeken. Met dit onderzoek hopen we de ontwikkeling van materialen voor volgende generaties batterijen te versnellen."