Νέο χαμηλού κόστους υλικό καθόδου δημιουργεί δυνατότητες για μπαταρίες ιόντων νατρίου

Υπό τη διεύθυνση του εφευρέτη της μπαταρίας ιόντων λιθίου, μια ομάδα ερευνητών στο Cockrell School of Engineering στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν, προσδιόρισε ένα νέο ασφαλές και βιώσιμο υλικό καθόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου χαμηλού κόστους. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων πέντε ετών, οι μπαταρίες ιόντων νατρίου αναδείχθηκαν ως ένα πολλά υποσχόμενο νέο τύπο επαναφορτιζόμενης μπαταρίας και μια εναλλακτική λύση στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, επειδή το νάτριο, καλύτερα γνωστό ως κύριο στοιχείο του αλατιού, είναι άφθονο και φθηνό. Σε αντίθεση, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου περιορίζονται από το υψηλό κόστος παραγωγής και τη διαθεσιμότητα του λιθίου.

Αν οι ερευνητές μπορέσουν να βρουν πώς να βελτιώσουν τις επιδόσεις και την ασφάλεια των μπαταριών ιόντων νατρίου, αρκετά για να τις εμπορευματοποιήσουν ευρέως, τότε θα μπορούσε μια μέρα να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση αιολικής και ηλιακής ενέργειας και την τροφοδοσία των ηλεκτρικών οχημάτων. Για το σκοπό αυτό, ο καθηγητής John Goodenough, ο εφευρέτης της μπαταρίας ιόντων λιθίου και η ομάδα του έχουν εντοπίσει ένα νέο υλικό καθόδου φτιαγμένο από το μη τοξικό και φθηνό ορυκτό Eλντφετλίτη (eldfellite) [1], παρουσιάζοντας σημαντική πρόοδο στην κούρσα για την ανάπτυξη μιας εμπορικά βιώσιμης μπαταρίας ιόντων νατρίου. Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο περιοδικό Energy & Environmental Science.

«Στον πυρήνα αυτής της ανακάλυψης είναι μια βασική δομή για το υλικό που ελπίζουμε ότι θα ενθαρρύνει τους ερευνητές να επινοήσουν καλύτερα υλικά για την περαιτέρω ανάπτυξη των μπαταριών ιόντων νατρίου», δήλωσε ο Preetam Singh, μεταδιδακτορικός συνεργάτης και ερευνητής στο εργαστήριο του Goodenough.

Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου λειτουργούν όπως ακριβώς οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, τα ιόντα νατρίου κινούνται από την άνοδο στην κάθοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια διέρχονται την κάθοδο μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος. Τα ηλεκτρόνια μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για να εκτελέσουν ηλεκτρικό έργο.

Αν και οι μπαταρίες ιόντων νατρίου έχουν τεράστιες δυνατότητες, υπάρχουν εμπόδια στην προώθηση της τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων των θεμάτων που σχετίζονται με την απόδοση, το βάρος και την αστάθεια των υλικών. Το υλικό καθόδου που προτείνει η ομάδα αντιμετωπίζει την αστάθεια. Η δομή του συνίσταται από σταθερά στρώματα νατρίου και σιδήρου που επιτρέπουν το νάτριο να εισάγεται και να αφαιρείται, ενώ διατηρείται ταυτόχρονα η ακεραιότητα της δομής.

Ένα πρόβλημα με το οποίο η ομάδα ασχολείται αυτή τη στιγμή είναι ότι η κάθοδός τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια μπαταρία που είναι λιγότερο ενεργειακά πυκνή από ότι οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η κάθοδος του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Ώστιν πέτυχε μια ειδική χωρητικότητα (το ποσό του φορτίου που μπορεί να φιλοξενήσει ανά γραμμάριο υλικού) που είναι μόνο τα δύο τρίτα αυτού της μπαταρίας ιόντων λιθίου.

«Υπάρχουν πολλές περισσότερες δυνατότητες για αυτό το υλικό και σκοπεύουμε να συνεχίσουμε την έρευνά μας», δήλωσε ο Singh. «Πιστεύουμε ότι το υλικό της καθόδου μας παρέχει μια καλή κανονική δομή για την ανάπτυξη νέων υλικών, τα οποία θα μπορούσαν να κάνουν τελικά την μπαταρία ιόντων νατρίου εμπορική πραγματικότητα».

Πηγή: University of Texas at Austin

Περισσότερα στην εργασία: Eldfellite, NaFe(SO4)2: an intercalation cathode host for low-cost Na-ion batteries, Energy & Environmental Science, 2015

Σημείωση [1]: Το υλικό με μοριακό τύπο NaFe(SO4)2 εντοπίστηκε το 1990 στο ηφαίστειο Έλντφετλ (Eldfell) της Ισλανδίας.