Tutkimus tuo uutta suunnittelutietämystä natriumioniakuille

Brownin yliopiston insinöörien tutkimus tuo uutta tietoa natriumin käyttäytymisestä natriumioniakuissa ja tarjoaa uusia suunnittelunäkökohtia anodimateriaaleille, jotka maksimoivat natriumioniakkujen vakauden ja energiatiheyden.

”Tämä työ auttaa meitä ymmärtämään natriumin varastointimekanismia natriumioniakkujen hiilimateriaaleissa”, sanoo Lincoln Mtemeri, työtä johtanut tutkija. ”Tämä antaa joitakin ohjeita haluttujen anodimateriaalien syntetisoimiseksi näille akuille, jotka maksimoivat kokonaissuorituskyvyn.”

Natriumioniakku tarjoaa vaihtoehdon, jolla on joitakin merkittäviä potentiaalisia etuja. Natrium on halpaa ja runsasta, mikä voisi vähentää tuotantokustannuksia ja tuhoisan kaivostoiminnan tarvetta.

Natriumioniakkujen kaupallistaminen on kuitenkin vasta alkuvaiheessa, ja tutkijat hienosäätävät edelleen perusrakennetta. Yksi avoin kysymys on, mikä materiaalirakenne toimii parhaiten natriumionin anodina – akun siinä osassa, joka varastoi natriumatomeja latauksen aikana.

Litiumionianodit on yleensä valmistettu grafiitista, mutta tutkimukset ovat osoittaneet, että grafiitti ei varastoi natriumia hyvin. Niinpä tieteilijät ovat siirtyneet "kovaan hiileen" – materiaaliin, jota voidaan valmistaa kuumentamalla mitä tahansa hiiltä sisältäviä materiaaleja puusta sokeriin.

”Kovan hiilen epäselvät rakenteet ovat merkittävä ongelma anodimateriaalien suunnittelussa, koska rakenteen ja ominaisuuden välistä suhdetta ei tunneta.” sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Yue Qi.

Aiempi tutkimus viittaa siihen, että natriumin varastointi tapahtuu todennäköisesti pienissä huokosissa, joita muodostuu koviin hiilirakenteisiin. Mutta ei tiedetty tarkalleen, miten tämä varastointi tapahtuu – tai miten huokosten koko voisi lisätä sitä.

Tutkimus osoitti, että kun natriumatomit siirtyvät huokosiin, ne ensin peittävät kunkin huokosen seinämät ionisidoksilla. Kun seinämät on peitetty, lisää natriumatomeja täyttää huokosen keskustan metalliryppäinä. Tutkijoiden mukaan natriumin kaksi varastointitapaa – ioninen varastointi seinämiä pitkin ja metallinen varastointi huokosten keskustaa kohti – ovat ratkaisevan tärkeitä.

Sekoitettu ioninen ja metallinen natrium auttaa pitämään anodijännitteen alhaisena, mikä lisää akun kokonaisjännitettä (akun kokonaisjännite on yhtä suuri kuin katodijännite miinus anodijännite, joten alhaisempi anodijännite on parempi).

Tutkijoiden mukaan löydökset tarjoavat ensimmäisiä konkreettisia suunnitteluohjeita kovien hiilianodien – tai minkä tahansa huokoisen rakenteen omaavien hiilimateriaalien – valmistamiseksi laboratoriossa. Tämä voisi auttaa tasoittamaan tietä natriumioniakkujen kaupalliselle käytölle tulevaisuudessa.

Aiheesta aiemmin:

Natriumioniakut ja merivesi

Läpimurto nopeasti latautuvissa natriumakuissa

Kovahiilestä anodimateriaali natrium-ioni akulle