(PhysOrg.com) -- Door de juiste hoeveelheid warmte toe te voegen, onderzoekers hebben een methode ontwikkeld die de elektrische capaciteit en de oplaadduur van oplaadbare natriumionbatterijen verbetert, wat een goedkoper alternatief zou kunnen zijn voor grootschalige toepassingen zoals het opslaan van energie op het elektriciteitsnet.

Om zonne- en windenergiebronnen aan te sluiten op het elektriciteitsnet, netbeheerders hebben batterijen nodig die grote hoeveelheden opgewekte energie bij de bron kunnen opslaan. Oplaadbare lithium-ionbatterijen -- gebruikelijk in consumentenelektronica en elektrische voertuigen -- presteren goed, maar zijn te duur voor wijdverbreid gebruik op het elektriciteitsnet omdat er veel batterijen nodig zijn, en ze zullen waarschijnlijk groot moeten zijn. Natrium is de volgende beste keuze, maar de natrium-zwavelbatterijen die momenteel in gebruik zijn, werken bij temperaturen boven 300 graden Celsius, of drie keer de temperatuur van kokend water, waardoor ze minder energiezuinig en veilig zijn dan batterijen die bij omgevingstemperatuur werken.

Batterijontwikkelaars willen het beste van twee werelden:zowel goedkoop natrium gebruiken als het type elektroden dat wordt aangetroffen in oplaadbare lithiumbatterijen. Een team van wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy en gastonderzoekers van de Wuhan University in Wuhan, China gebruikte nanomaterialen om elektroden te maken die met natrium kunnen werken, ze meldden 3 juni online in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

"De natrium-ionbatterij werkt bij kamertemperatuur en gebruikt natriumionen, een ingrediënt in keukenzout. Dus het zal veel goedkoper en veiliger zijn, " zei PNNL-chemicus Jun Liu, die samen met de chemicus Yuliang Cao van de Wuhan University de studie leidde.

De elektroden in oplaadbare lithiumbatterijen die onderzoekers interesseren, zijn gemaakt van mangaanoxide. De atomen in dit metaaloxide vormen vele gaten en tunnels waar lithiumionen doorheen reizen wanneer batterijen worden opgeladen of in gebruik zijn. Door de vrije beweging van lithiumionen kan de batterij elektriciteit vasthouden of in een stroom afgeven. Maar het simpelweg vervangen van de lithiumionen door natriumionen is problematisch - natriumionen zijn 70 procent groter dan lithiumionen en passen ook niet in de spleten.

Om een ​​manier te vinden om grotere gaten in het mangaanoxide te maken, PNNL-onderzoekers gingen veel kleiner. Ze wendden zich tot nanomaterialen -- materialen gemaakt op nanometerschaal, of ongeveer een miljoen keer dunner dan een dubbeltje -- die verrassende eigenschappen hebben vanwege hun kleinheid. Bijvoorbeeld, de korte afstanden die natriumionen in nanodraden moeten afleggen, kunnen van mangaanoxide een betere elektrode maken op manieren die geen verband houden met de grootte van de tunnels.

Ontdekken, het team mengde twee verschillende soorten mangaanoxide-atomaire bouwstenen -- een waarvan de atomen zichzelf rangschikken in piramides, en nog een waarvan de atomen een octaëder vormen, een diamantachtige structuur van twee piramides die aan hun basis aan elkaar zijn geplakt. Ze verwachtten dat het uiteindelijke materiaal grote S-vormige tunnels en kleinere vijfzijdige tunnels zou hebben waardoor de ionen zouden kunnen stromen.

Na het mengen, het team behandelde de materialen met temperaturen variërend van 450 tot 900 graden Celsius, onderzocht vervolgens de materialen en testte welke behandeling het beste werkte. Met behulp van een scanning elektronenmicroscoop, het team ontdekte dat verschillende temperaturen materiaal van verschillende kwaliteit creëerden. Door het mangaanoxide op 750 graden Celsius te behandelen, ontstonden de beste kristallen:te laag en de kristallen leken schilferig, te hoog en de kristallen veranderden in grotere platte platen.

Nog meer inzoomen met een transmissie-elektronenmicroscoop bij EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory op de campus van PNNL, het team zag dat mangaanoxide verwarmd tot 600 graden pokdalig was in de nanodraden die de natriumionen konden belemmeren, maar de op 750 graden behandelde draden zagen er uniform en zeer kristallijn uit.

Maar zelfs het mooiste materiaal is slechts een raamdecoratie als het niet goed presteert. Om erachter te komen of het zijn mooie uiterlijk heeft waargemaakt, het PNNL-Wuhan-team doopte het elektrodemateriaal in elektrolyt, de vloeistof die natriumionen bevat die de mangaanoxide-elektroden helpen een stroom te vormen. Daarna laadden en ontlaadden ze de experimentele batterijcellen herhaaldelijk.

Het team mat de piekcapaciteit bij 128 milliAmp-uur per gram elektrodemateriaal terwijl de experimentele batterijcel ontlaadde. Dit resultaat overtrof eerdere resultaten van andere onderzoekers, waarvan er één een piekcapaciteit van 80 milliAmp uur per gram bereikte voor elektroden gemaakt van mangaanoxide maar met een andere productiemethode. De onderzoekers denken dat de lagere capaciteit te wijten is aan natriumionen die structurele veranderingen in dat mangaanoxide veroorzaken die niet of minder vaak voorkomen in het warmtebehandelde materiaal van nanoformaat.

Naast een hoge capaciteit, het materiaal hield goed stand bij cycli van opladen en ontladen, zoals zou gebeuren bij gebruik door de consument. Opnieuw, het materiaal behandeld bij 750 Celsius presteerde het beste:na 100 cycli laden-ontladen, het verloor slechts 7 procent van zijn capaciteit. Materiaal behandeld bij 600 Celsius of 900 Celsius verloor ongeveer 37 procent en 25 procent, respectievelijk.

Ook na 1 000 cycli, de capaciteit van de met 750 Celsius behandelde elektroden daalde slechts met ongeveer 23 procent. De onderzoekers vonden dat het materiaal zeer goed presteerde, met behoud van 77 procent van de oorspronkelijke capaciteit.

Laatste, het team laadde de experimentele cel met verschillende snelheden op om te bepalen hoe snel het elektriciteit zou kunnen opnemen. Het team ontdekte dat hoe sneller ze hem oplaadden, hoe minder elektriciteit het zou kunnen bevatten. Dit suggereerde het team dat de snelheid waarmee natriumionen in het mangaanoxide konden diffunderen de capaciteit van de batterijcel beperkte - wanneer ze snel werden opgeladen, de natriumionen konden de tunnels niet snel genoeg binnenkomen om ze te vullen.

Om de langzame natriumionen te compenseren, de onderzoekers suggereren dat ze in de toekomst nog kleinere nanodraden maken om het opladen en ontladen te versnellen. Netbatterijen moeten snel worden opgeladen, zodat ze zoveel mogelijk nieuw opgewekte energie uit hernieuwbare bronnen kunnen verzamelen. En ze moeten snel ontladen wanneer de vraag omhoog schiet als consumenten hun airconditioners en televisietoestellen aanzetten, en sluit hun elektrische voertuigen thuis aan.

Dergelijke goed presterende batterijen zouden de warmte van een reeds belast elektriciteitsnet kunnen afnemen.