Onderzoekers van Empa en ETH Zürich zijn er voor het eerst in geslaagd om uniforme antimoon nanokristallen te produceren. Getest als componenten van laboratoriumbatterijen, deze kunnen een groot aantal zowel lithium- als natriumionen opslaan. Deze nanomaterialen werken met een hoge snelheid en kunnen uiteindelijk worden gebruikt als alternatieve anodematerialen in toekomstige batterijen met een hoge energiedichtheid.

De jacht is geopend - naar nieuwe materialen voor gebruik in de volgende generatie batterijen die op een dag de huidige lithium-ionbatterijen kunnen vervangen. Vandaag, de laatste zijn alledaags en bieden een betrouwbare stroombron voor smartphones, laptops en vele andere draagbare elektrische apparaten. Aan de ene kant, echter, elektrische mobiliteit en stationaire elektriciteitsopslag vereisen een groter aantal krachtigere batterijen; en de grote vraag naar lithium kan uiteindelijk leiden tot een tekort aan de grondstof. Daarom krijgt conceptueel identieke technologie op basis van natriumionen de komende jaren steeds meer aandacht. Hoewel 20 jaar lang onderzoek gedaan, materialen die natriumionen kunnen opslaan, blijven schaars.

Antimoon elektroden?

Een team van Empa en ETH Zürich onder leiding van Empa-onderzoeker Maksym Kovalenko is mogelijk een stap dichter bij het identificeren van alternatieve batterijmaterialen gekomen:ze zijn de eersten geworden die uniforme antimoon-nanokristallen synthetiseren, door hun speciale eigenschappen zijn ze uitstekende kandidaten voor een anodemateriaal voor zowel lithiumion- als natriumionbatterijen. De resultaten van het onderzoek van de wetenschappers zijn zojuist gepubliceerd in Nano-letters .

Voor een lange tijd, antimoon wordt beschouwd als een veelbelovend anodemateriaal voor hoogwaardige lithium-ionbatterijen, omdat dit metalloïde een hoge laadcapaciteit heeft, met een factor twee hoger dan die van veelgebruikt grafiet. Uit eerste onderzoeken bleek dat antimoon geschikt zou kunnen zijn voor oplaadbare lithium- en natriumionbatterijen omdat het beide soorten ionen kan opslaan. Natrium wordt beschouwd als een mogelijk goedkoop alternatief voor lithium, omdat het veel natuurlijker is en de reserves gelijkmatiger over de aarde zijn verdeeld.

Om antimoon zijn hoge opslagcapaciteit te laten bereiken, echter, het moet in een speciale vorm worden geproduceerd. De onderzoekers slaagden erin om uniforme - zogenaamde "monodisperse" - antimoonnanokristallen chemisch te synthetiseren die tussen de tien en twintig nanometer groot waren. Nanokristallen hebben een beslissend voordeel ten opzichte van grotere deeltjes:de volledige lithiëring of sodiatie van antimoon leidt tot grote volumetrische veranderingen. Met behulp van nanokristallen, deze modulaties van het volume kunnen omkeerbaar en snel zijn, en leiden niet tot onmiddellijke breuk van het materiaal. Een bijkomend belangrijk voordeel van nanokristallen (of nanodeeltjes) is dat ze vermengd kunnen worden met een geleidende koolstofvuller om aggregatie van de nanodeeltjes te voorkomen.

Ideale kandidaat voor anodemateriaal

Elektrochemische tests toonden aan dat elektroden gemaakt van antimoon-nanokristallen even goed presteren in natrium- en lithium-ionbatterijen. Dit maakt antimoon bijzonder veelbelovend voor natriumbatterijen, omdat de beste anodematerialen voor lithiumopslag (grafiet en silicium) niet werken met natrium.

Zeer monodisperse nanokristallen, met een grootteafwijking van tien procent of minder, maken het mogelijk om de optimale verhouding tussen grootte en prestatie te identificeren. Nanokristallen van tien nanometer of kleiner hebben last van oxidatie vanwege het grote oppervlak. Anderzijds, antimoonkristallen met een diameter van meer dan 100 nanometer zijn niet voldoende stabiel vanwege de eerder genoemde enorme volume-uitzetting en -krimp tijdens de werking van een batterij. De onderzoekers behaalden de beste resultaten met deeltjes van 20 nanometer groot.

Een ander belangrijk resultaat van het onderzoek, mogelijk gemaakt door deze ultra-uniforme deeltjes, is dat de onderzoekers een groottebereik van ongeveer 20 tot 100 nanometer hebben geïdentificeerd, waarbinnen dit materiaal uitstekende, grootte-onafhankelijke prestaties, zowel in termen van energiedichtheid als snelheidsvermogen. Deze eigenschappen maken het zelfs mogelijk om polydisperse antimoondeeltjes te gebruiken om dezelfde prestaties te verkrijgen als met zeer monodisperse deeltjes, zolang hun afmetingen binnen dit groottebereik van 20 tot 100 nanometer blijven. Experimenten van Kovalenko's groep op monodisperse nanodeeltjes van andere materialen tonen veel steilere verhoudingen tussen grootte en prestatie, zoals snel prestatieverval bij toenemende deeltjesgrootte, waardoor antimoon een unieke positie inneemt tussen de materialen die legeren met lithium en natrium. "Dit vereenvoudigt de taak om een ​​economisch haalbare synthesemethode te vinden aanzienlijk", zegt Kovalenko. "De ontwikkeling van een dergelijke kosteneffectieve synthese is de volgende stap voor ons, samen met onze industriële partner."

Duurder alternatief

Betekent dit dat een alternatief voor de huidige lithium-ionbatterijen binnen handbereik ligt? Kovalenko schudt zijn hoofd. Hoewel de methode relatief eenvoudig is, de productie van voldoende hoogwaardige uniforme antimoon nanokristallen is nog te duur. "Globaal genomen, batterijen met natriumionen en antimoon-nanokristallen als anodes zullen alleen een veelbelovend alternatief vormen voor de huidige lithium-ionbatterijen als de productiekosten vergelijkbaar zullen zijn, " hij zegt.

Het zal hoogstwaarschijnlijk nog een decennium duren voordat een natriumionbatterij met antimoonelektroden op de markt kan komen. Het onderzoek naar het onderwerp staat nog in de kinderschoenen. "Echter, andere onderzoeksgroepen sluiten zich binnenkort aan bij de inspanningen, ’ is de chemicus overtuigd.

Kortom:Lithium-ion batterijen

Een huidige lithium-ionbatterij bestaat uit twee elektroden - een kathode en een anode. De anode is vaak gemaakt van grafiet, de kathode van metaaloxiden zoals kobaltoxide. De lithiumionen nestelen zich in deze materialen tijdens het laad- of ontlaadproces. De twee elektroden zijn gescheiden door een separator die alleen doorlaatbaar is voor lithiumionen die zich tussen de twee elektroden verplaatsen. Tijdens het ontladen van de batterij, de lithiumionen verschuiven van de anode naar de kathode. De elektronen maken een "omweg" via een extern elektronisch apparaat, die wordt aangedreven door de resulterende elektronenflux. Elektronen en ionen ontmoeten elkaar weer bij de kathode. Wanneer de batterij wordt opgeladen, lithiumionen en elektronen stromen in de tegenovergestelde richting. Om de batterij effectief en langdurig te laten werken, de ionen moeten gemakkelijk in en uit de elektrodematerialen kunnen bewegen. De vorm en grootte van de elektrodematerialen zouden niet veel moeten veranderen door de terugkerende absorptie en afgifte van de ionen.