Wetenschappers hebben een nieuwe chemische toestand van het element mangaan ontdekt. Deze chemische toestand, ongeveer 90 jaar geleden voor het eerst voorgesteld, maakt een krachtige, goedkope natrium-ionbatterij die de door zonnepanelen en windturbines geproduceerde energie snel en efficiënt kan opslaan en distribueren over het elektriciteitsnet.

Dit directe bewijs van een voorheen onbevestigde ladingstoestand in een mangaanbevattende batterijcomponent zou kunnen inspireren tot nieuwe verkenningswegen voor batterij-innovaties.

Röntgenexperimenten in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy waren de sleutel tot de ontdekking. De onderzoeksresultaten werden op 28 februari gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Wetenschappers van Berkeley Lab en New York University namen deel aan het onderzoek, die werd geleid door onderzoekers van Natron Energy, voorheen Alveo Energy, een Palo Alto, Het in Californië gevestigde bedrijf voor batterijtechnologie.

De batterij die Natron Energy voor het onderzoek leverde, heeft een onconventioneel ontwerp voor een anode, dat is een van de twee elektroden. Vergeleken met de relatief volwassen ontwerpen van anoden die worden gebruikt in lithium-ionbatterijen, anodes voor natrium-ionbatterijen blijven een actieve focus van R&D.

De anode in dit laatste onderzoek bestaat uit een mix van elementen - waaronder mangaan, koolstof en stikstof - dat is chemisch vergelijkbaar met de formule van het ijzerhoudende verfpigment dat bekend staat als Pruisisch blauw.

"Typisch, in lithium-ion- en natrium-ionbatterijen, de anode is vaker op koolstof gebaseerd, " zei Wanli Yang, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Advanced Light Source, de bron van röntgenstralen die werden gebruikt in de batterij-experimenten.

Maar in dit geval, beide elektroden van de batterij gebruiken hetzelfde type materialen op basis van elementen die bekend staan ​​als "overgangsmetalen" die nuttig zijn in de chemie omdat ze verschillende geladen toestanden kunnen vertonen. De andere elektrode, een kathode genoemd, bevat koper, stikstof, koolstof, en ijzer.

"Het zeer interessante hier is dat beide elektroden zijn gebaseerd op de chemie van overgangsmetalen in hetzelfde type materialen, " hij voegde toe, met ijzer in de kathode en een speciale mangaanchemie in de anode.

"Een van de directe voordelen van het gebruik van dergelijke materialen voor beide elektroden in de batterij is dat geen van de twee elektroden de stroomcapaciteit fundamenteel beperkt, cyclus leven, of de kosten van het apparaat, " zei Colin Wesells, CEO bij Natron Energy. De batterij presteert beter dan de doelstellingen voor levensduur en prijs van het Department of Energy voor energieopslag op netschaal, zoals de onderzoekers rapporteren in hun laatste studie.

Wessells merkte op dat de batterij erg stabiel is, zijn materialen zijn overvloedig, de totale kosten zijn concurrerend met conventionele loodzuuraccu's, en heeft een kleinere ecologische voetafdruk dan conventionele batterijen.

Het is aangetoond dat de batterij tot 90 procent van zijn totale energie levert in een zeer snelle, vijf minuten ontlading, en om ongeveer 95 procent van zijn afvoercapaciteit te behouden voor 1, 000 cycli. Het biedt een alternatief voor op zwaartekracht gebaseerde energieopslagsystemen voor het elektriciteitsnet, waarin water bergopwaarts wordt gepompt en vervolgens op verzoek bergafwaarts wordt vrijgegeven om elektriciteit op te wekken.

Hoe de batterij zijn hoge prestaties levert, Hoewel, onderzoekers verbaasd hadden.

Er werd gespeculeerd, daterend uit een Duitstalig tijdschriftartikel uit 1928, dat mangaan zou kunnen bestaan ​​in een zogenaamde "1-plus" of "monovalente" staat, wat betekent dat een mangaanatoom in deze toestand slechts een enkel elektron verliest. Dit is ongebruikelijk, omdat van mangaanatomen doorgaans bekend is dat ze twee of meer elektronen afstaan, of geen elektronen, bij chemische reacties, maar niet zomaar een.

Een dergelijke nieuwe chemische toestand zou een spanningsbereik mogelijk maken dat nuttig is voor batterijanoden. Maar er waren geen metingen die deze eenwaardige vorm van mangaan bevestigden.

De onderzoekers van Natron Energy bestudeerden de batterijmaterialen in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een nanowetenschapscentrum, en bood toen enkele voorbeeldbatterijcellen aan voor studie aan de ALS.

De eerste ronde van röntgenexperimenten bij de ALS, die een techniek gebruikte die zachte röntgenabsorptiespectroscopie wordt genoemd, bleek vooral de 2-plus vorm van mangaan te vertonen.

"We hebben alleen een hint (van een andere vorm) opgevangen in de eerste tests, en moest zwaar op theorie vertrouwen om over een andere staat te speculeren, " zei Andrew Wray van de New York University, die de theoretische berekeningen heeft uitgevoerd.

Toen wendde het team zich tot een nieuw gebouwd systeem bij de ALS, nagesynchroniseerde in situ resonante inelastische röntgenverstrooiing, of iRIXS. De techniek, die een zeer gevoelige sonde biedt voor de interne chemie van materialen, toonde een veelbetekenend contrast in de elektronen tijdens de laad- en ontlaadcycli van de batterij.

"Bij RIXS zie je meteen een heel duidelijk contrast, " zei Yang. "Later realiseerden we ons dat mangaan 1-plus zich heel erg gedraagt, zeer dicht bij de typische 2-plus toestand in andere conventionele spectroscopie, " daarom was het al zoveel decennia moeilijk te detecteren.

Wray heeft toegevoegd, "De analyse van de RIXS-resultaten bevestigt niet alleen de mangaan 1-plus-toestand; het laat ook zien dat de speciale omstandigheden die aanleiding geven tot deze toestand het voor elektronen gemakkelijker maken om in het materiaal te reizen. Dit is waarschijnlijk de reden waarom zo'n ongebruikelijke batterij-elektrode presteert zo goed."

Commerciële prototypes op basis van de batterij die in het Lab is getest, zijn eerder dit jaar in de bètatest bij klanten terechtgekomen. Wessels opgemerkt. Naast rastertoepassingen, Natron Energy promoot de technologie voor de noodstroom van datacenters, en voor zwaar materieel zoals elektrische vorkheftrucks, onder andere mogelijke toepassingen.

Yang zei dat de chemische puzzel die in de laatste studie is opgelost, andere R&D in nieuwe soorten batterij-elektroden zou kunnen inspireren. "De werking van een batterij kan leiden tot het ontstaan ​​van atypische chemische toestanden die niet bestaan ​​in ons conventionele denken. Dit basisbegrip zou andere nieuwe ontwerpen kunnen veroorzaken, en open onze ogen voorbij onze conventionele wijsheid" op elektrodematerialen, hij zei.

"Deze studie was als een perfect pakket, met gecombineerde industrie, nationaal laboratorium, en universitaire bijdragen, ' zei Yang.