Fastkroppsnatriumbatterier är ett lovande alternativ till litiumbatterier.

Forskare har utvecklat ett helt natriumbatteri i fast tillstånd som bibehåller prestandan även vid temperaturer under noll. Batteriet, som utvecklats av forskare vid University of California, San Diego, skulle kunna bidra till att ersätta litiumbaserade kraftenheter.

Forskarna avslöjade också att natrium är ett billigt, rikligt förekommande och mindre skadligt alternativ, men de heltäckande solid-state-batterier de skapade fungerar för närvarande inte bra i rumstemperatur.

ucsd-jacobsschool-2407-meng-lab-deysher-grayson-06232-8mp-1380px.jpg — Forskningen leddes av professor Y. Shirley Meng, Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago.

Ingenjörerna värmde upp en halvstabil form av natriumhydridoborat till den punkt där den började kristallisera, och kylde sedan snabbt ner den för att kinetiskt stabilisera kristallstrukturen. Detta är en allmänt erkänd teknik, men en som aldrig tidigare hade tillämpats på en fast elektrolyt.

Den förtrogenheten skulle kunna bidra till att förvandla denna laboratorieinnovation till en riktig produkt i framtiden, säger forskarna.

”Det handlar inte om natrium kontra litium, vi behöver båda”, säger professor Y. Shirley Meng, vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME - USA). ”När vi tänker på framtida energilagringslösningar bör vi föreställa oss att samma jättefabrik kan producera produkter baserade på både litium- och natriumkemi. Denna nya forskning för oss närmare det slutgiltiga målet samtidigt som den utvecklar den grundläggande vetenskapen på vägen.”

Teamet noterar också att natriumkemin är intressant, men den fasta natriumelektrolyten uppvisar begränsad jonledningsförmåga vid rumstemperatur.

UC San Diego-gruppens arbete kombinerar beräknings- och experimentella data för att utvärdera den metastabila naturen hos natriumhydridoborat och visar att snabb kylning från kristallisationsregimen låser ortorombisk fasdynamik med snabb Na+-migration.

Fastkroppsnatriumbatterier ger hopp om en mindre miljöskadlig energilösning.

Forskarna noterar att denna superstabila fas, i kombination med en kloridbaserad fast elektrolytbelagd katod, möjliggör skapandet av täta kompositkatoder med hög areabelastning som bibehåller prestanda vid temperaturer under noll.

"Eftersom grundprincipen är att kinetiskt stabilisera det anjoniska ramverket vilket gynnar diffusion, är denna metod överförbar till relaterade hydridoborater och andra anjoniska klusterkemier. Detta arbete ger en praktisk designstrategi och bearbetningsriktlinjer för högpresterande fasta elektrolyter", rapporterar teamet.

Medförfattaren Sam Oh från A*STAR Institute for Materials Research and Engineering i Singapore sa att forskningen bidrar till att ge natrium mer lika villkor som litium när det gäller elektrokemisk prestanda.

"Det genombrott vi uppnådde är att vi faktiskt stabiliserar en semistabil struktur som aldrig tidigare har rapporterats. Denna semistabila struktur av natriumhydridoborat har en mycket hög jonledningsförmåga, minst en storleksordning högre än den jonledningsförmåga som rapporterats i litteraturen, och tre till fyra storleksordningar högre än själva prekursorn."

Denna forskning erbjuder möjligheten att använda en mycket billigare och mer lättillgänglig råvara än litium. I många år, tillsammans med utvecklingen av bärbara digitala enheter, har mänskligheten varit tvungen att göra stora miljömässiga avvägningar vid utvinning och raffinering av litium.