Wetenskaplikes gebruik anorganiese sink-gebaseerde verbindings om die kapasiteit van natrium- en kaliumioonbatterye aansienlik te verbeter.
Laai 'n motorbattery – illustratiewe foto. Beeldkrediet: JUICE via Unsplash, gratis lisensie
Litium-ioon batterye (LIB's) is verreweg die mees gebruikte tipe herlaaibare batterye, wat oor talle toepassings strek. Dit sluit in verbruikerselektronika, elektriese voertuie (bv. Tesla-motors), hernubare energiestelsels en ruimtetuie.
Alhoewel LIB's die beste werkverrigting in baie aspekte lewer in vergelyking met ander herlaaibare batterye, het hulle hul redelike deel van nadele. Litium is 'n taamlik skaars hulpbron, en die prys daarvan sal vinnig styg met die beskikbaarheid daarvan wat afneem.
Boonop hou litiumekstraksie en onbehoorlik weggegooide LIB's groot omgewingsuitdagings in, aangesien die vloeibare elektroliete wat algemeen gebruik word giftig en vlambaar is.
Die tekortkominge van LIB's het navorsers wêreldwyd gemotiveer om na alternatiewe energiebergingstegnologieë te soek. Natrium (Na)-ioonbatterye (NIB's) en kalium-ioonbatterye (KIB's) is twee vinnig opkomende opsies wat kostedoeltreffend sowel as volhoubaar is. Beide NIB's en KIB's sal na verwagting teen die einde van die dekade miljard-dollar-industrieë wees.
Regerings regoor die wêreld, insluitend dié van die VSA, Oostenryk, Hong Kong, Duitsland en Australië, bevorder navorsing en innovasie op hierdie gebied. Boonop belê maatskappye soos Faradion Beperk, TIAMAT SAS en HiNa Battery Technology Co. Ltd. swaar in hierdie tegnologie. Beide Contemporary Amperex Technology Co. Limited en Build Your Dreams sal na verwagting binnekort elektriese voertuigbatterye met NIB's bekendstel.
Ongelukkig bly die kapasiteit van die elektrodemateriaal wat in NIB's en KIB's gebruik word, steeds agter dié van LIB's. Teen hierdie agtergrond het 'n navorsingspan onder leiding van professor Shinichi Komaba van Tokyo University Science (TUS), Japan, gewerk om baanbrekende hoëkapasiteit-elektrodemateriaal vir NIB's en KIB's te ontwikkel.
In hul jongste studie, gepubliseer in Gevorderde energiemateriaal op 9 November 2023 rapporteer hulle 'n nuwe sintesestrategie vir nanogestruktureerde "harde koolstof" (HC) elektrodes wat ongekende werkverrigting lewer. Die studie is mede-outeur van mnr. Daisuke Igarashi, me. Yoko Tanaka, en junior medeprofessor Ryoichi Tatara van TUS, en dr. Kei Kubota van die Nasionale Instituut vir Materiaalwetenskap (NIMS), Japan.
Maar wat is HC en hoekom is dit nuttig vir NIB's en KIB's? Anders as ander vorme van koolstof, soos grafeen of diamant, is HC amorf; dit het nie 'n goed gedefinieerde kristallyne struktuur nie. Daarbenewens is dit sterk en bestand. In 'n vroeëre 2021-studie het prof. Komaba en sy kollegas 'n manier gevind om magnesiumoksied (MgO) as 'n sjabloon te gebruik tydens die sintese van HC-elektrodes vir NIB's, wat hul finale nanostruktuur verander.
Die proses het gelei tot die vorming van nanoporieë binne die elektrodes na MgO-verwydering, wat op sy beurt hul kapasiteit om Na te berg aansienlik verhoog het.+ ione.
Gemotiveer deur hul vorige bevindings, het die navorsers ondersoek of verbindings gemaak van sink (Zn) en kalsium (Ca) ook nuttig kan wees as nano-template vir HC-elektrodes. Vir hierdie doel het hulle sistematies verskillende HC-monsters ondersoek wat gemaak is met sinkoksied (ZnO) en kalsiumkarbonaat (CaCO)3) en vergelyk hul prestasie met dié wat met magnesiumoksied (MgO) gesintetiseer is.
Voorlopige eksperimente het getoon dat ZnO besonder belowend was vir die negatiewe elektrode van NIB's. Gevolglik het die navorsers die konsentrasie van ZnO wat in die HC-matriks ingebed is tydens sintese geoptimaliseer, wat 'n omkeerbare kapasiteit van 464 mAh g toon.-1 (wat ooreenstem met NaC4.8) met 'n hoë aanvanklike Coulombiese doeltreffendheid van 91.7% en 'n lae gemiddelde potensiaal van 0.18 V vs.+/Na.
Die span het merkwaardige resultate behaal deur hierdie kragtige elektrodemateriaal in 'n werklike battery in te sluit. “Die NIB is vervaardig met behulp van die geoptimaliseerde ZnO-getempleerde HC aangesien die negatiewe elektrode 'n energiedigtheid van 312 Wh kg vertoon het-1" beklemtoon prof. Komaba.
“Hierdie waarde is gelykstaande aan die energiedigtheid van sekere tipes tans gekommersialiseerde LIB's met LiFePO4 en grafiet en is meer as 1.6 keer die energiedigtheid van die eerste NIB's (192 Wh kg-1), wat ons laboratorium in 2011 gerapporteer het.” Die ZnO-getempleerde HC het veral ook 'n beduidende kapasiteit van 381 mAh g getoon-1 wanneer dit by 'n KIB opgeneem word, wat sy potensiaal verder ten toon stel.
Gesamentlik toon die resultate van hierdie studie dat die gebruik van anorganiese nanopartikels as 'n sjabloon om die poriestruktuur te beheer 'n effektiewe riglyn vir die ontwikkeling van HC-elektrodes kan verskaf. "Ons bevindinge bewys dat HC's belowende kandidate is vir negatiewe elektrodes as 'n alternatief vir grafiet," sluit prof. Komaba af.
Vorming van harde koolstof om buitengewone grootkapasiteit-elektrodes vir natrium-ioonbatterye te verkry: Dit is moontlik om nanoporieë in harde koolstof in te sluit deur sinkoksied as 'n sjabloon tydens die sintese daarvan te gebruik. Hierdie porieë stel die materiaal in staat om baie meer ladingdraers te stoor, wat dit 'n belowende elektrodekandidaat maak vir natrium-ioonbatterye wat 'n energiedigtheid kan bereik wat vergelykbaar is met dié van LiFePO4-tipe litiumioonbatterye. Beeldkrediet: Shinichi Komaba van TUS Japan
Op sy beurt kan dit NIB's lewensvatbaar maak vir praktiese toepassings, soos die ontwikkeling van volhoubare verbruikerselektronika en elektriese voertuie sowel as lae koolstofvoetspoor energiebergingstelsels vir die berging van energie van sonkrag- en windplase.
