Vaste-stofnatriumbatterijen zijn een veelbelovend alternatief voor lithiumbatterijen.

Onderzoekers hebben een volledig vaste natriumbatterij ontwikkeld die blijft presteren bij temperaturen onder het vriespunt. De batterij, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego, zou lithium-gebaseerde apparaten kunnen vervangen.

De onderzoekers ontdekten ook dat natrium een goedkoop, ruimschoots aanwezig en minder schadelijk alternatief is. De volledig vaste-stofbatterijen die ze ontwikkelden, werken echter momenteel niet goed bij kamertemperatuur.

ucsd-jacobsschool-2407-meng-lab-deysher-grayson-06232-8mp-1380px.jpg — Het onderzoek werd geleid door professor Y. Shirley Meng, Pritzker School of Molecular Engineering, Universiteit van Chicago.

De ingenieurs verhitten een semi-stabiele vorm van natriumhydridoboraat tot het punt waarop het begon te kristalliseren, en koelden het vervolgens snel af om de kristalstructuur kinetisch te stabiliseren. Dit is een algemeen erkende techniek, maar een die nog nooit eerder was toegepast op een vaste elektrolyt.

Die vertrouwdheid zou ertoe kunnen bijdragen dat deze laboratoriuminnovatie in de toekomst tot een echt product uitgroeit, zeggen de onderzoekers.

"Het gaat niet om natrium versus lithium, we hebben beide nodig", aldus professor Y. Shirley Meng van de Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME - VS) van de Universiteit van Chicago. "Als we nadenken over toekomstige oplossingen voor energieopslag, moeten we ons voorstellen dat dezelfde gigantische fabriek producten kan produceren op basis van zowel lithium als natrium. Dit nieuwe onderzoek brengt ons dichter bij dat uiteindelijke doel en bevordert tegelijkertijd de fundamentele wetenschap ."

Het team merkt ook op dat de natriumchemie interessant is, maar dat de vaste natriumelektrolyt een beperkte ionische geleidbaarheid vertoont bij kamertemperatuur.

Het werk van de groep van UC San Diego combineert computationele en experimentele gegevens om de metastabiele aard van natriumhydridoboraat te evalueren en toont aan dat snelle afkoeling vanuit het kristallisatieregime de orthorombische fasedynamiek vergrendelt met snelle Na+-migratie.

Vaste-stofnatriumbatterijen bieden hoop op een energieoplossing die minder schadelijk is voor het milieu.

De onderzoekers merken op dat deze superstabiele fase, in combinatie met een op chloride gebaseerde vaste elektrolyt-gecoate kathode, de creatie van dichte, hoog-oppervlakte-belaste composietkathodes mogelijk maakt die prestaties behouden bij temperaturen onder nul.

"Omdat het basisprincipe is om het anionische raamwerk kinetisch te stabiliseren ten gunste van diffusie, is deze aanpak overdraagbaar naar verwante hydridoboraten en andere anionische clusterchemieën. Dit werk biedt een praktische ontwerpstrategie en verwerkingsrichtlijnen voor hoogwaardige vaste elektrolyten", meldt het team.

Medeauteur Sam Oh van het A*STAR Institute for Materials Research and Engineering in Singapore zei dat het onderzoek ervoor zorgt dat natrium op een gelijker niveau komt te staan met lithium wat betreft elektrochemische prestaties.

De doorbraak die we hebben bereikt, is dat we daadwerkelijk een semi-stabiele structuur stabiliseren die nog nooit eerder is gerapporteerd. Deze semi-stabiele structuur van natriumhydridoboraat heeft een zeer hoge ionische geleidbaarheid, minstens één orde van grootte hoger dan de in de literatuur gerapporteerde ionische geleidbaarheid, en drie tot vier ordes van grootte hoger dan de precursor zelf.

Dit onderzoek biedt de mogelijkheid om een veel goedkopere en gemakkelijker verkrijgbare grondstof te gebruiken dan lithium. Jarenlang heeft de mensheid, samen met de ontwikkeling van draagbare digitale apparaten, enorme milieu-afwegingen moeten maken bij het winnen en raffineren van lithium.