Kosteneffectieve oplaadbare batterijen vormen de kern van vrijwel alle draagbare elektronische apparaten, die alomtegenwoordig zijn geworden in het moderne dagelijkse leven. Bovendien, oplaadbare batterijen zijn essentiële componenten in veel milieuvriendelijke technologieën, zoals elektrische auto's en systemen die hernieuwbare energie oogsten. Ze zijn ook belangrijke enablers van verschillende medische apparaten en vergemakkelijken onderzoek op verschillende gebieden als de energiebron van elektronische sensoren en camera's. Dus, het mag geen verrassing heten dat er veel energie wordt gestoken in het ontwikkelen van betere en goedkopere oplaadbare batterijen.

Tot dusver, oplaadbare lithium-ionbatterijen staan ​​op nummer één dankzij hun geweldige prestaties over de hele linie in termen van capaciteit, stabiliteit, prijs, en oplaadtijd. Echter, lithium, en andere kleine en kostbare metalen zoals kobalt en koper, behoren niet tot de meest voorkomende materialen op de aardkorst, en hun steeds toenemende vraag zal binnenkort leiden tot leveringsproblemen over de hele wereld. Aan de Tokyo University of Science, Japan, Professor Shinichi Komaba en collega's hebben ernaar gestreefd een oplossing te vinden voor dit steeds erger wordende raadsel door oplaadbare batterijen te ontwikkelen met alternatieve, meer overvloedige materialen.

In een recente studie gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie , het team vond een energiezuinige methode om een ​​nieuw op koolstof gebaseerd materiaal voor natrium-ionbatterijen te produceren. Behalve prof. Komaba, het team omvatte ook mevrouw Azusa Kamiyama en Associate Prof. Kei Kubota van de Tokyo University of Science, Dr. Yong Youn en Dr. Yoshitaka Tateyama van het National Institute for Materials Science, Japan, en Associate Prof. Kazuma Gotoh van Okayama University, Japan. De studie richtte zich op de synthese van harde koolstof, een zeer poreus materiaal dat dient als de negatieve elektrode van oplaadbare batterijen, door het gebruik van magnesiumoxide (MgO) als anorganisch sjabloon van poriën van nanogrootte in harde koolstof.

De onderzoekers onderzochten een andere techniek om de ingrediënten van de MgO-sjabloon te mengen om de nanostructuur van de resulterende harde koolstofelektrode nauwkeurig af te stemmen. Na meerdere experimentele en theoretische analyses, ze verduidelijkten de optimale fabricageomstandigheden en ingrediënten om harde koolstof te produceren met een capaciteit van 478 mAh/g, de hoogste ooit gerapporteerd in dit soort materiaal. Prof. Komaba stelt, "Tot nu, de capaciteit van op koolstof gebaseerde negatieve elektrodematerialen voor natriumionbatterijen lag meestal rond de 300 tot 350 mAh/g. Hoewel waarden in de buurt van 438 mAh/g zijn gemeld, die materialen vereisen een warmtebehandeling bij extreem hoge temperaturen boven 1900°C. In tegenstelling tot, we gebruikten een warmtebehandeling bij slechts 1500 ° C, een relatief lage temperatuur." met een lagere temperatuur komt een lager energieverbruik, wat ook lagere kosten en minder milieu-impact betekent.

De capaciteit van dit nieuw ontwikkelde harde koolstofelektrodemateriaal is zeker opmerkelijk, en overtreft aanzienlijk die van grafiet (372 mAh/g), die momenteel wordt gebruikt als het negatieve elektrodemateriaal in lithium-ionbatterijen. Bovendien, hoewel een natrium-ionbatterij met deze harde koolstofnegatieve elektrode in theorie zou werken bij een 0,3 volt lager spanningsverschil dan een standaard lithium-ionbatterij, de hogere capaciteit van de eerste zou leiden tot een veel grotere energiedichtheid in gewicht (1600 Wh/kg versus 1430 Wh/kg), resulterend in +19% toename van de energiedichtheid.

Enthousiast over de resultaten en met zijn blik op de toekomst gericht, Prof. Komaba merkt op, "Onze studie bewijst dat het mogelijk is om hoogenergetische natrium-ionbatterijen te realiseren, het omverwerpen van de algemene overtuiging dat lithium-ionbatterijen een hogere energiedichtheid hebben. De harde koolstof met extreem hoge capaciteit die we hebben ontwikkeld, heeft een deur geopend naar het ontwerp van nieuwe natriumopslagmaterialen."

Verdere studies zullen nodig zijn om te verifiëren dat het voorgestelde materiaal daadwerkelijk een superieure levensduur biedt, input-output kenmerken, en werking bij lage temperatuur in echte natrium-ionbatterijen. Met een beetje geluk, misschien staan ​​we op het punt om getuige te zijn van de volgende generatie oplaadbare batterijen!