Natriumbatterien sind einen Schritt näher, um Sie vor einem Handybrand zu bewahren

2020-04-21 11:40:04

Festkörperbatterien, bei denen Feststoffe anstelle von Flüssigkeiten verwendet werden, um Ionen durch ihren Kern zu befördern, ziehen aufgrund ihres Potenzials zur Reduzierung von Batteriebränden Investitionen in Milliardenhöhe an. Jetzt haben Forscher eine Festkörper-Natriumbatterie mit einer Rekordkapazität zum Speichern von Ladung und einer flexiblen Elektrode entwickelt, die das hunderte Aufladen ermöglicht. Darüber hinaus könnte die Verwendung von Natrium anstelle von teurem Lithium durch die Batterie die Entwicklung billigerer Energiespeicher für alles ermöglichen, von kleinen tragbaren Elektronikgeräten bis hin zu Solar- und Windparks.

Maria Helena Braga, eine Batterieforscherin an der Universität von Texas in Austin, die nicht an der Arbeit beteiligt war, sagt, die Flexibilität der Elektrode sei besonders erfinderisch. Und obwohl die neuen Batterien noch nicht zur Vermarktung bereit sind, ist es aufgrund ihres Potenzials für eine billige Produktion wahrscheinlich, dass Wissenschaftler sie weiter verfolgen werden, sagt sie.

Heute sind Lithium-Ionen-Batterien König und versorgen alles von unseren Handys bis zu unseren Autos. In seltenen, dramatischen Fällen hat ihre Abhängigkeit von brennbaren flüssigen Elektrolyten dazu geführt, dass sie Feuer gefangen haben. Forscher untersuchen Lithium-Festkörperbatterien, um dieses Problem anzugehen. Damit werden die Kosten jedoch nicht behoben. Eine aktuelle Analyse von Bloomberg New Energy Finance prognostiziert, dass die Nachfrage nach Lithium explodieren und bis 2030 um das 1500-fache steigen wird. Dies könnte die Lithiumpreise in die Höhe schnellen lassen, da das Metall nur in wenigen Ländern abgebaut wird.

Natrium, ein Alkalimetallkollege, hat ein ähnliches chemisches Verhalten und ist weitaus häufiger anzutreffen. Daher haben viele Forschungsgruppen in den letzten zehn Jahren feste Natriumbatterien hergestellt. Die Batterien, die nicht brennbare Feststoffe verwenden, um Natriumionen von einer Elektrode zur anderen zu befördern, neigen jedoch dazu, schnell zusammenzubrechen. In einem üblichen Aufbau geben Natriumatome während der Entladung ein Elektron an einer Elektrode (der Anode) ab und erzeugen einen elektrischen Strom, der für die Arbeit verwendet wird. Die nun positiv geladenen Natriumionen bewegen sich dann durch einen ionenfördernden Elektrolyten auf Schwefelbasis zur zweiten Elektrode (bekannt als Kathode), die aus einer Keramikoxidverbindung besteht. Wenn die Ionen ankommen, schwillt die Kathode an Größe an. Wenn die Batterie aufgeladen wird, treibt eine angelegte elektrische Spannung Natriumionen aus der Kathode heraus, wodurch sie schrumpft. Die Ionen gehen zurück zur Anode, wo sie sich mit Elektronen wieder vereinigen. Das wiederholte Quellen und Schrumpfen kann jedoch die spröde Keramik reißen und dazu führen, dass sie sich vom Festelektrolyten löst und die Batterie zerstört.

Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher unter der Leitung von Yan Yao, einem Materialwissenschaftler an der Universität von Houston in Texas, eine Kathode aus einer flexiblen organischen Verbindung hergestellt, die Natrium, Kohlenstoff und Sauerstoff enthält, wie sie letztes Jahr in der Angewandten Chemie International Edition berichteten. Die Flexibilität des Materials ermöglichte es ihm, über 400 Ladezyklen zu quellen und zu schrumpfen, ohne auseinanderzubrechen und den Kontakt mit dem Elektrolyten auf Schwefelbasis zu verlieren. Und die Kathode speicherte 495 Wattstunden pro Kilogramm (Wh / kg), nur etwas weniger als die meisten herkömmlichen Lithium-Ionen-Kathoden. Aber die Forscher hatten immer noch ein Problem. Der Elektrolyt auf Schwefelbasis ist etwas zerbrechlich. Und die Betriebsspannung der Natriumzellen riss den Elektrolyten auseinander.

Das Team von Yao hat dieses Problem nun durch eine Neugestaltung der Kathode gelöst. Nach wie vor verwendeten die Forscher eine flexible organische Verbindung. Jedes Molekül seines neuen Moleküls, abgekürzt PTO (für Pyren-4,5,9,10-tetraon), enthält jedoch doppelt so viele Natriumionen wie die vorherige Version, sodass die Batterie 587 Wh / kg aufnehmen kann, was ungefähr dem Wert entspricht Standard-Lithium-Ionen-Kathoden. Die Flexibilität der Kathode ermöglicht es der Batterie, 500 Lade- und Entladezyklen zu verwalten und dabei 89% ihres Speicherpotentials beizubehalten, was der Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Zellen nahe kommt. Als Bonus arbeitet die Zelle mit einer niedrigeren Spannung, die den Elektrolyten intakt hält, berichtet das Team heute in Joule.

Wenn weitere Verbesserungen der Haltbarkeit folgen, könnte die nicht brennbare Batterie viele Niederspannungsanwendungen finden, beispielsweise die Stromversorgung der nächsten Generation tragbarer Geräte. Für spannungshungrige Anwendungen wie Elektroautos müssen die Forscher jedoch einen weiteren Parameter verstärken: die Differenz des elektrischen Potentials (gemessen in Spannung) zwischen den beiden Elektroden. Yan sagt, seine Gruppe versuche, ihre organische Elektrode zu optimieren - unter anderem durch Zugabe von Fluor -, um genau das zu erreichen.