Ogniwa litowo-jonowe od dawna dominują na rynku akumulatorów do pojazdów elektrycznych i coraz częściej są brane pod uwagę do magazynowania energii odnawialnej wykorzystywanej w sieci elektrycznej. Ale w ciągu kolejnych 5-10 lat mogą wystąpić niedobory podaży litu, co poważnie skomplikuje produkcję kolejnych ogniw tego typu. Nic więc dziwnego, że poszukuje się opłacalnych alternatyw dla ogniw litowo-jonowych, takich, jak baterie sodowo-jonowe.
Baterie sodowo-jonowe wkrótce zastąpią ogniwa litowo-jonowe
Baterie sodowo-jonowe to typ akumulatorów, które działają na podobnej zasadzie co baterie litowo-jonowe, lecz zamiast litu używają jonów sodu (Na+) do przenoszenia ładunku. Baterie te stanowią alternatywę dla tradycyjnych technologii opartych na litu, ze względu na większą dostępność i niższy koszt surowców, takich jak sód, który jest powszechnie dostępny na Ziemi, w przeciwieństwie do litu.
Czytaj też: Od fantazji do rzeczywistości. Supercienkie baterie na wyciągnięcie ręki
Katoda w bateriach sodowo-jonowych wykonana jest często z materiałów opartych na tlenkach metali lub fosforanach, które mogą stabilnie przechowywać jony sodu. Anoda w typowych bateriach litowo-jonowych wykonana jest z grafitu, jednak w bateriach sodowo-jonowych często używa się węgla w bardziej zaawansowanej formie, np. węgla twardego, ponieważ grafit nie tak efektywnie współpracuje z jonami sodu.
Takie akumulatory mają szereg zalet. Sód jest znacznie tańszy i bardziej dostępny niż lit, co potencjalnie obniża koszty produkcji baterii sodowo-jonowych. Co więcej, sód można pozyskiwać z soli (chlorku sodu), która jest powszechnie dostępna na całym świecie, co eliminuje problemy związane z geograficznymi ograniczeniami występującymi w przypadku litu. Baterie sodowo-jonowe są uważane za bardziej stabilne chemicznie, co zmniejsza ryzyko zapłonu lub przegrzania, co jest problemem w niektórych przypadkach baterii litowo-jonowych.
Ale nie ma róży bez kolców. Jednym z głównych ograniczeń baterii sodowo-jonowych jest ich mniejsza gęstość energetyczna (ilość energii na jednostkę masy) w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi. Oznacza to, że te akumulatory mogą przechowywać mniej energii na jednostkę objętości lub masy, co może ograniczać ich zastosowanie w urządzeniach wymagających dużej pojemności, jak np. samochody elektryczne.
Naukowcy z Argonne National Laboratory pracowali nad ulepszeniem katody, która jest istotną częścią baterii. Stworzyli katodę, wykorzystując materiał tlenku jonów sodu o unikalnym składzie metalicznym, obejmującym nikiel, kobalt i mangan. Co ważne, metale te nie są równomiernie rozmieszczone w poszczególnych cząstkach katody. Np. nikiel pojawia się w rdzeniu; wokół tego rdzenia znajdują się kobalt i mangan, które tworzą powłokę. Te pierwiastki służą różnym celom. Bogata w mangan powierzchnia zapewnia cząstce stabilność strukturalną podczas cykli ładowania i rozładowania. Bogaty w nikiel rdzeń zapewnia dużą pojemność magazynowania energii.
Jednak wstępne testy wykazały pęknięcia powstające na granicy rdzenia i powłoki oraz wewnątrz samego rdzenia, nawet w temperaturach tak niskich jak 250oC. Aby zrozumieć, dlaczego powstały te pęknięcia, naukowcy wykorzystali zaawansowane techniki rentgenowskie.
Podgrzewali mieszankę materiału prekursorowego i wodorotlenku sodu, osiągając temperatury do 600oC, aby monitorować powstawanie pęknięć. Zespół badawczy odkrył, że szybkość, z jaką podgrzewali katodę podczas jej tworzenia, była krytyczna. Pęknięcia powstawały z szybkością nagrzewania 5o na minutę, ale nie z mniejszą szybkością 1o na minutę. Zwalniając proces nagrzewania, można zapobiec powstawaniu pęknięć. Ta prosta zmiana znacznie poprawiła wydajność katody, umożliwiając jej utrzymanie wysokiej pojemności energetycznej przez ponad 400 cykli ładowania i rozładowania, o czym możemy przeczytać w czasopiśmie Nature Nanotechnology.
To przełomowe odkrycie otwiera drogę dla baterii sodowo-jonowych, które nie tylko charakteryzują się niskim kosztem i długą żywotnością, ale także potencjalnie wysoką gęstością energii porównywalną z bateriami litowo-jonowymi.