Vzpon postlitijevih baterij

Japonska raziskovalna skupina je iznašla novo metodo za sintezo ogljikovih elektrod, ki lahko shranijo podobno količino energije kot nekatere litijeve baterije. Svojo raziskavo so objavili v reviji Advanced Energy Materials.

Litij-ionske baterije se uporabljajo v električnih vozilih in praktično v vseh brezžičnih elektronskih napravah. Njihova prednost je visoka kapaciteta shranjevanja energije, vendar pa uporaba litija prinaša tako okoljske kot ekonomske izzive. Natrijeve in kalijeve ionske baterije predstavljajo bolj trajnostno alternativo, njihova glavna pomanjkljivost pa je majhna kapaciteta. Baterije so sestavljene iz dveh ločenih elektrod in elektrolita. Anode so negativne elektrode, ki pri polnjenju baterij sprejemajo pozitivno nabite ione bodisi litija, natrija ali kalija iz pozitivne katode preko ionsko prevodnega elektrolita. 

Z namenom povečanja baterijske kapacitete natrij-ionske baterije so raziskovalci in raziskovalke pripravili porozno obliko ogljika, imenovano »hard carbon«. Ta namreč lahko shrani več atomov natrija kot pogosteje uporabljen grafit. Porozne ogljikove lupine so pridobili na osnovi cinkovega derivata glukoze z večkratnim segrevanjem pri visoki temperaturi. Pridobljen material so analizirali z rentgensko difrakcijo in elektronskim mikroskopom ter ugotovili, da se velikost pór giblje okoli nanometra. Zaradi izredno majhnih por je material lahek in ima veliko specifično površino, kar je ključno za učinkovito delovanje elektrode.

Polnjenje in praznjenje anod iz ogljikovih lupin so testirali z elektrokemijskim vstavljanjem in odstranjevanjem natrija iz por. Raziskovalna skupina je prvič pokazala, da je kapaciteta natrijeve baterije, ki za anodo uporablja razvit ogljikov porozni material, primerljiva z nekaterimi litijevimi baterijami. Pokazali so tudi visoko coulombsko učinkovitost razvitega materiala, ki je merilo za oddajanje električne energije glede na začetno napolnjenost in je pomemben parámeter baterijskih celic. Poleg tega iz mešanice cinkovih organskih spojin pripravljen material izkazuje dolgoročno stabilnost preko dvesto ciklov polnjenja in praznjenja.

Raziskovalci in raziskovalke so visoke kapacitete razvitega anodnega materiala uspeli razložiti s spremljanjem kemijskih procesov znotraj pór. Po vstavitvi natrija v póre ta tvori delno kristalinične skupke. Proces nastanka teh pa je tudi izrazito reverzibilen, kar je ugodno za uporabo v akumulatorjih z možnostjo polnjenja. Po vzpodbudnih rezultatih z uporabo natrija so podobno obetavne rezultate izkazale tudi kalijeve baterije.

Najpomembnejši doprinos raziskave je metoda priprave poroznega ogljikovega materiala za anode z uporabo cinkovih organskih spojin. Raziskovalna skupina sicer opozarja na nekatere še odprte izzive natrij-ionskih baterij, kot so denimo daljši cikli polnjenja in praznjenja ter potreba po težkih kovinah v katodnih materialih. 

Z natrijevimi baterijami se bo polnil vajenec Luka.

Avtor fotografije: EMSL

https://www.flickr.com/photos/emsl/5816843458

Vir: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202302647