Molekulaarinen korjaus natriumioniakkujen heikoimpaan lenkkiin

Uusiutuvan energian käyttöönoton kiihtyessä maailmanlaajuisesti laajamittaisten energian varastointiteknologioiden on tultava edullisemmiksi, turvallisemmiksi ja resurssitehokkaammiksi.

Natriumioniakut erottuvat joukosta, koska natriumia on runsaasti ja se on edullista, mutta niiden kaupallistamista haittaa korkean suorituskyvyn anodimateriaalien puute.

Kovaa hiiltä pidetään laajalti lupaavimpana anodiehdokkaana, mutta sen suorituskyky riippuu vahvasti huonosti hallituista sisäisistä huokosista ja vikarakenteista.

Jiangxin ja Gannanin yliopistojen tutkijat raportoivat uuden strategian kovien hiilianodien stabiloimiseksi natriumioniakuissa.

Tutkija kehittivät polymeeriesiasteiden molekyylinsisäistä heteroatomien seostusta, jota seuraa kontrolloitu kemiallinen esisodiaatio, suljettujen huokosrakenteiden ja kestävien rajapintakerrosten kehittämiseksi.

Tämä synergistinen rakenne parantaa merkittävästi palautuvaa kapasiteettia, alkuvaiheen Coulombin hyötysuhdetta ja pitkän aikavälin syklisen vakauden, puuttuen keskeisiin pullonkauloihin, jotka ovat rajoittaneet natriumioniakkujen kehitystä.

Sähkökemialliset testit osoittavat, että optimoitu materiaali tuottaa 307,9 mAh g⁻¹ palautuvan kapasiteetin, jolla on vahva nopeusominaisuus ja minimaalinen rakenteellinen hajoaminen.

Palautumaton natriumhäviö alkuvaiheen syklisen vakauden aikana rajoitti kuitenkin käytännön hyötysuhdetta. Tämän ratkaisemiseksi otettiin käyttöön lyhyt kemiallinen esisodiumaatiovaihe, jossa natriumia syötettiin etukäteen ja muodostettiin esivalmisteena vakaa rajapintakerros. Tämän seurauksena alkuperäinen Coulombin hyötysuhde nousi dramaattisesti 94,4 prosenttiin.

Pitkäaikaiskokeet osoittavat edelleen, että esisodiumoitu kova hiili säilyttää 93,6 % kapasiteetistaan 3 000 lataus-purkaussyklin jälkeen. Mikroskooppiset ja spektroskooppiset analyysit vahvistavat ohuen, tiheän ja natriumfluoridirikkaan rajapinnan muodostumisen, mikä parantaa ionien kuljetusta ja estää elektrolyyttien hajoamista.

"Tämä työ osoittaa, että kovan hiilen suorituskykyrajat eivät ole kiinteitä, vaan niitä voidaan perusteellisesti muokata molekyylisuunnittelun avulla", sanoi yksi tutkimuksen vastaavista kirjoittajista. "Kontrolloimalla heteroatomien sisällyttämistä polymeerien esiasteisiin voimme säädellä huokosten muodostumista sisältäpäin.

Yhdistettynä esisodotukseen tämä strategia ei ainoastaan paranna tehokkuutta, vaan myös vakauttaa elektrodin ja elektrolyytin rajapinnan tuhansien syklien ajan. Tulokset viittaavat skaalautuvaan ja monipuoliseen reittiin seuraavan sukupolven natriumioniakkujen anodien rakentamiseksi."

Aiheesta aiemmin:

Natrium-ioniakut haastavat litiumioniakut

Tutkimus tuo uutta suunnittelutietämystä natriumioniakuille

Läpimurto edistää natrium-akkujen suunnittelua