Nieuwe materialen kunnen de opslagcapaciteit en de fietsstabiliteit van oplaadbare batterijen aanzienlijk verbeteren. Tot deze materialen behoren oxiden met hoge entropie (HEO), waarvan de stabiliteit het gevolg is van een ongeordende verdeling van de elementen. Met HEO, elektrochemische eigenschappen kunnen worden aangepast, zoals werd gevonden door wetenschappers van het team van nanotechnologie-expert Horst Hahn van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT). De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Duurzame energievoorziening vraagt ​​om betrouwbare opslagsystemen. De vraag naar oplaadbare elektrochemische energieopslagapparaten voor zowel stationaire als mobiele toepassingen is de afgelopen jaren snel toegenomen en zal naar verwachting in de toekomst blijven groeien. Een van de belangrijkste eigenschappen van batterijen zijn hun opslagcapaciteit en hun fietsstabiliteit, d.w.z. het aantal mogelijke laad- en ontlaadprocessen zonder capaciteitsverlies. Dankzij de hoge stabiliteit, een geheel nieuwe klasse van materialen genaamd high-entropy oxides (HEO) zal naar verwachting leiden tot belangrijke verbeteringen. Bovendien, elektrochemische eigenschappen van HEO kunnen worden aangepast door hun samenstelling te variëren. Voor de eerste keer, wetenschappers van KIT's Institute of Nanotechnology (INT) en Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF), van het Helmholtz Institute Ulm (HIU), gezamenlijk opgericht door KIT en Ulm University, en van het Indian Institute of Technology in Madras hebben nu de geschiktheid van HEO als conversiemateriaal voor omkeerbare lithiumopslag aangetoond. Conversiebatterijen op basis van elektrochemische materiaalconversie zorgen voor een toename van de opgeslagen hoeveelheid energie, terwijl het batterijgewicht wordt verminderd. De wetenschappers gebruikten HEO om op conversie gebaseerde elektroden te produceren die meer dan 500 oplaadcycli overleefden zonder noemenswaardige capaciteitsvermindering.

De groep Nanostructured Materials van professor Horst Hahn, Directeur van KIT's INT, behoort tot de pioniers van het onderzoek naar oxiden met een hoge entropie. De wetenschappers publiceerden enkele van de nog zeldzame publicaties over deze nieuwe materialen die pas enkele jaren bekend zijn. De speciale eigenschappen van HEO zijn het gevolg van entropiestabilisatie. Dit maakt ze vergelijkbaar met de al bekendere legeringen met een hoge entropie. Entropie-gestabiliseerde HEO zijn complexe oxiden die vijf of meer verschillende metaalkationen van dezelfde hoeveelheden bevatten en een eenfasige kristalstructuur vertonen. Hoewel typische kristalstructuren van de elementen aanzienlijk verschillen, ze vormen een verbindingsrooster en verspreiden zich zonder duidelijke volgorde naar de posities in het kristal. Deze stoornis, ook wel hoge entropie genoemd, stabiliseert het materiaal, waarschijnlijk omdat het de migratie van defecten in het rooster belemmert.

"Dankzij de hoge stabiliteit, de interacties van de verschillende metaalkationen, en het grote aantal haalbare elementencombinaties, HEO opent ongekende mogelijkheden, " zegt professor Horst Hahn. De studie gepresenteerd in Natuurcommunicatie geconcentreerd op HEO op basis van overgangsmetalen (TM-HEO), die worden gekenmerkt door een hoge geleidbaarheid van lithiumionen. Door middel van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), de onderzoekers bestudeerden de structuur van TM-HEO en de impact ervan op de omzettingsreactie. Ze ontdekten dat het verwijderen van één element alleen de entropie vermindert en de fietsstabiliteit nadelig beïnvloedt. Elk afzonderlijk element beïnvloedt het elektrochemische gedrag van de TM-HEO, zodat de materialen kunnen worden afgestemd op verschillende toepassingen. Het resultaat is een modulaire benadering van de systematische ontwikkeling van elektrodematerialen. "Onze studie heeft aangetoond dat entropie-gestabiliseerde HEO aanzienlijk verschilt van klassiek conversiemateriaal, ", zegt Horst Hahn. "Om hun volledige potentieel voor energieopslagtoepassingen te ontsluiten, echter, verder onderzoek is nodig."