Natrium-ioniakut haastavat litiumioniakut

Koska natriumia on runsaasti ja se on saatavilla edullisesti, natriumioniakut (SIB) ovat johtava ehdokas korvaamaan litiumioniakut (LIB) ja samalla vastaamaan maailmanlaajuiseen energian kysynnän tarpeisiin.

SIB-elektrodien huomattavan suorituskyvyn avain on osittain negatiivisessa elektrodissa käytetyssä materiaalissa eli kovahiilessä (HC). Tämä matalakiteinen, huokoinen hiilityyppi voi varastoida suuria määriä natriumia, minkä ansiosta SIB-elektrodit voivat saavuttaa kaupallisten LIB-elektrodien kanssa verrattavissa olevan energiatiheyden.

Vaikka tutkijat uskovat, että HC on nopeasti latautuva materiaali, tämän todistaminen kokeellisesti on haastavaa. Haasteen kohtaamiseksi Tokion tiedeyliopiston professori Shinichi Komaban johtama tutkimusryhmä käytti uudenlaista lähestymistapaa selvittääkseen natriumin ja litiumin liittymisen kineettisiä rajoja kovahiileen.

Työssään tutkijat pystyivät mittaamaan ja vertaamaan erittäin tehokkaasti natriumin lisäyksen, litiumin interkalaation ja litiumin lisäyksen maksiminopeuksia kovahiileen.

Tulokset antoivat selkeää ja kvantitatiivista näyttöä kovahiilen korkeasta latauspotentiaalista. Yksityiskohtaisten testien ja analyysien avulla tiimi havaitsi, että sodiaatioprosessi on luonnostaan nopeampi kuin litiaatio samalla negatiivisella elektrodilla.

Tämä vahvistettiin laskemalla näennäinen diffuusiokerroin – mitta siitä, kuinka nopeasti ionit liikkuvat materiaalin läpi – joka oli yleensä natriumilla korkeampi kuin litiumilla. "Tuloksemme osoittavat kvantitatiivisesti, että SIB:n varautumisnopeus HC-anodia käytettäessä voi saavuttaa nopeampia nopeuksia kuin LIB:llä", korostaa professori Komaba.

Myös kiinalaistutkijat ovat löytäneet uutta puhtia natriumioniakuille

Suurikapasiteettiset O3-tyyppiset kerrostetut NiFeMn-pohjaiset oksidit ovat lupaavia katodeja natriumioniakuille, vaikka niiden käytännön käyttöönottoa rajoittavat Fe-redox-kemian luontaiset rajoitukset.

Carbon Energy -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tutkijat käyttivät valenssimuokkausstrategiaa materiaalin hapetusasteen muokkaamiseen siten, että sillä on sekä korkeampi energia että se on käytännöllisempi.

Muutos johti natriumioniakkuun, joka kestää pidempään, toimii hyvin laajoilla lämpötila-alueilla eikä heikkene merkittävästi altistuessaan ilmalle ja kosteudelle.

”Havaitsimme, että rikkomalla perinteisen Ni/Mn-stoikiometrisen symmetrian tavanomaisen tasapainotetun reseptin sijaan, raudasta – eli Fe:stä – tulee yhtäkkiä paljon aktiivisempaa ja sen elektroninsiirtoluvut ovat suuremmat.

Tämän seurauksena materiaalimme voi tarjota 596 Wh kg-1 katodimassaan perustuen, mikä on 15 % enemmän kuin NaNi1/3 Fe1/3 Mn1/3 O2 -vertailuarvo”, sanoo apulaisprofessori Chenlong Dong Tianjinin teknillisestä yliopistosta.

Aiheesta aiemmin:

Läpimurto edistää natrium-akkujen suunnittelua

Korkean suorituskyvyn katodi natrium-ioni akuille

Tehokkaampia akkuelektrodeja