Van elektrische auto's die honderden kilometers afleggen op één lading tot kettingzagen zo krachtig als versies op benzine, elk jaar komen er nieuwe producten op de markt die profiteren van de recente ontwikkelingen in batterijtechnologie.

Maar die groei heeft geleid tot bezorgdheid dat de wereldvoorraad van lithium, het metaal in het hart van veel van de nieuwe oplaadbare batterijen, kan uiteindelijk uitgeput raken.

Nu hebben onderzoekers van het Georgia Institute of Technology nieuw bewijs gevonden dat suggereert dat batterijen op basis van natrium en kalium veelbelovend zijn als een potentieel alternatief voor op lithium gebaseerde batterijen.

"Een van de grootste obstakels voor natrium- en kalium-ionbatterijen is dat ze de neiging hebben om sneller te vervallen en te degraderen en minder energie vast te houden dan alternatieven, " zei Matthew McDowell, een assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering en de School of Materials Science and Engineering.

"Maar we hebben ontdekt dat dat niet altijd het geval is, " hij voegde toe.

Voor de studie, die op 19 juni in het tijdschrift werd gepubliceerd Joule en werd gesponsord door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie, het onderzoeksteam keek naar hoe drie verschillende ionen - lithium, natrium, en kalium - reageerde met deeltjes ijzersulfide, ook wel pyriet en fool's gold genoemd.

Terwijl batterijen worden opgeladen en ontladen, ionen reageren constant met en doordringen de deeltjes waaruit de batterij-elektrode bestaat. Dit reactieproces veroorzaakt grote volumeveranderingen in de deeltjes van de elektrode, vaak breken ze in kleine stukjes. Omdat natrium- en kaliumionen groter zijn dan lithium, van oudsher wordt gedacht dat ze een grotere degradatie veroorzaken wanneer ze reageren met deeltjes.

In hun experimenten, de reacties die plaatsvinden in een batterij werden direct waargenomen in een elektronenmicroscoop, waarbij de ijzersulfidedeeltjes de rol spelen van een batterij-elektrode. De onderzoekers ontdekten dat ijzersulfide stabieler was tijdens de reactie met natrium en kalium dan met lithium, wat aangeeft dat een dergelijke batterij op basis van natrium of kalium een ​​veel langere levensduur zou kunnen hebben dan verwacht.

Het verschil tussen hoe de verschillende ionen reageerden was visueel sterk. Bij blootstelling aan lithium, ijzersulfidedeeltjes leken bijna te exploderen onder de elektronenmicroscoop. Integendeel, het ijzersulfide zette uit als een ballon bij blootstelling aan natrium en kalium.

"We zagen een zeer robuuste reactie zonder breuk - iets dat suggereert dat dit materiaal en andere materialen zoals het in deze nieuwe batterijen kunnen worden gebruikt met een grotere stabiliteit in de tijd, " zei Matthew Boebinger, een afgestudeerde student aan Georgia Tech.

De studie doet ook twijfels rijzen over het idee dat grote volumeveranderingen die optreden tijdens de elektrochemische reactie altijd een voorbode zijn van deeltjesbreuk, waardoor de elektrode defect raakt, wat leidt tot degradatie van de batterij.

De onderzoekers suggereerden dat een mogelijke reden voor het verschil in hoe de verschillende ionen met het ijzersulfide reageerden, is dat het lithium eerder zijn reactie concentreerde langs de scherpe kubusachtige randen van het deeltje, terwijl de reactie met natrium en kalium meer diffuus was langs het hele oppervlak van het ijzersulfidedeeltje. Als resultaat, het ijzersulfidedeeltje ontwikkelde bij reactie met natrium en kalium een ​​meer ovale vorm met afgeronde randen.

Hoewel er nog meer werk aan de winkel is, de nieuwe onderzoeksresultaten kunnen wetenschappers helpen bij het ontwerpen van batterijsystemen die dit soort nieuwe materialen gebruiken.

"Lithiumbatterijen zijn op dit moment nog steeds het aantrekkelijkst omdat ze de meeste energiedichtheid hebben - je kunt veel energie in die ruimte stoppen, "Zei McDowell. "Natrium- en kaliumbatterijen hebben op dit moment niet meer dichtheid, maar ze zijn gebaseerd op elementen die duizend keer meer voorkomen in de aardkorst dan lithium. Dus ze kunnen in de toekomst veel goedkoper zijn, wat belangrijk is voor grootschalige energieopslag - back-upstroom voor huizen of het energienetwerk van de toekomst."