Onderzoekers van de Universiteit van Oxford en de Universiteit van Tokio publiceerden op 17 december afzonderlijke onderzoeken waarin de vooruitgang op het gebied van batterijmaterialen werd beschreven. Het team uit Tokio toonde aan dat natrium-ionbatterijen die gebruik maken van harde koolstofelektroden sneller kunnen opladen dan conventionele lithium-ionbatterijen. Onderzoekers uit Oxford ontwikkelden elektrolyten die de ionische geleidbaarheid behouden bij de overgang van vloeibare naar vaste toestand.
Het team van professor Shinichi Komaba aan de Tokyo University of Science gebruikte een “verdunde elektrodemethode” om de oplaadlimieten voor harde koolstof te bepalen. Deze aanpak combineert harde koolstofdeeltjes met elektrochemisch inactief aluminiumoxide, waardoor ionenverkeer in dichte elektroden tijdens snel opladen wordt voorkomen. Cyclische voltammetrie en elektrochemische analyse onthulden dat natriumionen sneller door harde koolstof reizen dan lithiumionen. De schijnbare diffusiecoëfficiënt, die de ionenmobiliteit aangeeft, bleek in de meeste gevallen hoger voor natrium.
“Onze resultaten tonen kwantitatief aan dat de laadsnelheid van een SIB die een HC-anode gebruikt, hogere snelheden kan bereiken dan die van een LIB”, aldus Komaba. Uit de studie bleek dat natrium een lagere activeringsenergie nodig heeft om pseudo-metaalclusters te vormen in nanoporiën van harde koolstof. Deze eigenschap maakt de toevoeging van natrium minder temperatuurgevoelig. Het onderzoek verscheen in Chemical Science.
Aan de Universiteit van Oxford creëerden Paul McGonigal en promovendus Juliet Barclay op cyclopropenium gebaseerde elektrolyten. Deze materialen dagen het idee uit dat de ionenmobiliteit scherp afneemt als vloeistoffen stollen. Het team ontwierp schijfvormige moleculen met flexibele zijketens die bij stolling zichzelf in kolommen assembleren. Deze opstelling verspreidt positieve lading over een platte kern, waardoor negatieve ionenvangst wordt vermeden en een permeabele structuur voor ionenstroom behouden blijft.
“We hebben aangetoond dat het mogelijk is om organische materialen zo te ontwerpen dat de ionenmobiliteit niet bevriest wanneer het materiaal stolt”, aldus Barclay. Tests in het onderzoek bevestigden een stabiele geleidbaarheid over vloeibare, vloeibare kristallen en vaste fasen voor verschillende ionentypen. Het werk werd gepubliceerd in Science en verscheen op 17 december.
De bevindingen uit Tokio benadrukken het potentieel van natrium-ionbatterijen voor sneller opladen met harde koolstofanodes. De Oxford-elektrolyten bieden een pad voor veiligere batterijen doordat fabrikanten materialen kunnen verhitten tot vloeistof voor montage en deze vervolgens kunnen afkoelen tot vaste stoffen, waardoor het risico op lekkage en brand wordt verminderd en de prestaties behouden blijven.
