Onderzoekers lossen een belangrijk probleem op met natrium-ionbatterijen voor elektrische voertuigen en energieopslag op het elektriciteitsnet

Lithium-ionbatterijen domineren al lang de markt als dé energiebron voor elektrische voertuigen. Ze worden ook steeds vaker overwogen voor de opslag van hernieuwbare energie voor gebruik op het elektriciteitsnet. Door de snelle uitbreiding van deze markt worden er echter binnen de komende vijf tot tien jaar tekorten aan lithium verwacht.

“Natrium-ionbatterijen zijn in opkomst als een aantrekkelijk alternatief voor lithium-ionbatterijen vanwege de grotere overvloed en lagere kosten van natrium”, zegt Gui-Liang Xu, een chemicus bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Tot op heden is er een ernstige wegversperring geweest voor de commercialisering van dergelijke batterijen. In het bijzonder nemen de prestaties van de natriumbevattende kathode snel af bij herhaaldelijk ontladen en opladen.

Een team bij Argonne heeft belangrijke vooruitgang geboekt bij het oplossen van dit probleem met een nieuw ontwerp voor een natriumionoxidekathode. Het is nauw gebaseerd op een eerder Argonne-ontwerp voor een lithium-ionoxidekathode met bewezen hoge energieopslagcapaciteit en een lange levensduur. Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Natuur Nanotechnologie.

Een belangrijk kenmerk van beide ontwerpen is dat de microscopisch kleine kathodedeeltjes een mix van overgangsmetalen bevatten, waaronder nikkel, kobalt, ijzer of mangaan. Belangrijk is dat deze metalen niet gelijkmatig verdeeld zijn over de afzonderlijke kathodedeeltjes. Nikkel verschijnt bijvoorbeeld in de kern; rondom deze kern bevinden zich kobalt en mangaan, die een schil vormen.

Deze elementen dienen verschillende doeleinden. Het mangaanrijke oppervlak geeft het deeltje zijn structurele stabiliteit tijdens het opladen en ontladen. De nikkelrijke kern biedt een hoge capaciteit voor energieopslag.

Bij het testen van dit ontwerp nam de energieopslagcapaciteit van de kathode echter gestaag af tijdens het fietsen. Het probleem was terug te voeren op de vorming van scheuren in de deeltjes tijdens het fietsen. Deze scheuren ontstonden als gevolg van spanning die ontstond tussen de schaal en de kern van de deeltjes. Het team probeerde die spanning vóór het fietsen weg te nemen door hun methode van kathodepreparatie te verfijnen.

Het precursormateriaal dat wordt gebruikt om het syntheseproces te starten, is een hydroxide. Naast zuurstof en waterstof bevat het drie metalen: nikkel, kobalt en mangaan. Het team heeft twee versies van dit hydroxide gemaakt: één waarbij de metalen in een gradiënt van kern naar schil zijn verdeeld en, ter vergelijking, een andere waarbij de drie metalen gelijkmatig over elk deeltje zijn verdeeld.

Om het eindproduct te vormen, verwarmde het team een ​​mengsel van een precursormateriaal en natriumhydroxide tot wel 600 °C, handhaafde het een bepaalde periode op die temperatuur en koelde het vervolgens af tot kamertemperatuur. Ze probeerden ook verschillende opwarmsnelheden.

Tijdens deze hele behandeling volgde het team de structurele veranderingen in de deeltjeseigenschappen. Deze analyse omvatte het gebruik van twee gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science: de Advanced Photon Source (bundellijnen 17-BM en 11-ID) in Argonne en de National Synchrotron Light Source II (bundellijn 18-ID) bij DOE’s Brookhaven National Laboratory.

“Met de röntgenbundels bij deze faciliteiten konden we real-time veranderingen in de deeltjessamenstelling en -structuur bepalen onder realistische syntheseomstandigheden”, zegt Argonne-bundellijnwetenschapper Wenqian Xu.

Het team gebruikte ook het Center for Nanoscale Materials (CNM) in Argonne voor aanvullende analyse om de deeltjes te karakteriseren en de Polaris-supercomputer van de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) om de röntgengegevens te reconstrueren in gedetailleerde 3D-beelden. De CNM en ALCF zijn ook gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science.

De eerste resultaten brachten geen scheuren in de uniforme deeltjes aan het licht, maar wel scheuren die zich in de gradiëntdeeltjes vormden bij temperaturen zo laag als 250°C. Deze scheuren verschenen aan de kern en de kern-schilgrens en verplaatsten zich vervolgens naar het oppervlak. Het is duidelijk dat de metaalgradiënt een aanzienlijke spanning veroorzaakte die tot deze scheuren leidde.

“Omdat we weten dat gradiëntdeeltjes kathodes kunnen produceren met een hoge energieopslagcapaciteit, wilden we warmtebehandelingsomstandigheden vinden die de scheuren in de gradiëntdeeltjes zullen elimineren”, zegt Wenhua Zuo, een postdoctoraal aangestelde in Argonne.

De opwarmsnelheid bleek een kritische factor. Er ontstonden scheuren bij een opwarmsnelheid van vijf graden per minuut, maar niet bij een lagere snelheid van één graad per minuut. Tests in kleine cellen met kathodedeeltjes die met een lagere snelheid waren bereid, behielden hun hoge prestaties gedurende meer dan 400 cycli.

“Het voorkomen van scheuren tijdens de kathodesynthese levert grote voordelen op als de kathode later wordt opgeladen en ontladen”, zegt Gui-Liang Xu. “En hoewel natriumionbatterijen nog niet voldoende energiedichtheid hebben om voertuigen over lange afstanden van stroom te voorzien, zijn ze ideaal voor rijden in de stad.”

Het team werkt er nu aan om het nikkel uit de kathode te verwijderen, wat de kosten nog verder zou verlagen en duurzamer zou zijn.

“De vooruitzichten lijken zeer goed voor toekomstige natrium-ionbatterijen met niet alleen lage kosten en een lange levensduur, maar ook een energiedichtheid die vergelijkbaar is met die van de lithium-ijzerfosfaatkathode die nu in veel lithium-ionbatterijen zit”, zegt Khalil Amine, een Argonne Distinguished Vakgenoot. “Dit zou resulteren in duurzamere elektrische voertuigen met een goed rijbereik.”