Vědci používají anorganické sloučeniny na bázi zinku k výraznému zlepšení kapacity sodíkových a draslíkových iontových baterií.
Nabíjení autobaterie – ilustrační foto. Obrazový kredit: JUICE přes Unsplash, bezplatná licence
Lithium-iontové baterie (LIB) jsou zdaleka nejpoužívanějším typem dobíjecích baterií, které pokrývají četné aplikace. Patří mezi ně spotřební elektronika, elektrická vozidla (např. vozy Tesla), systémy obnovitelné energie a kosmické lodě.
Ačkoli LIB poskytují v mnoha ohledech nejlepší výkon ve srovnání s jinými dobíjecími bateriemi, mají své nevýhody. Lithium je poměrně vzácný zdroj a jeho cena bude rychle stoupat s jeho dostupností.
Navíc extrakce lithia a nesprávně vyhozené LIB představují obrovské ekologické problémy, protože běžně používané kapalné elektrolyty jsou toxické a hořlavé.
Nedostatky LIB motivovaly výzkumníky po celém světě k hledání alternativních technologií skladování energie. Sodíkové (Na)-iontové baterie (NIB) a draslíkově-iontové baterie (KIB) jsou dvě rychle se objevující možnosti, které jsou nákladově efektivní a zároveň udržitelné. Předpokládá se, že jak NIB, tak KIB budou do konce dekády miliardovými průmyslovými odvětvími.
Vlády po celém světě, včetně vlády USA, Rakouska, Hongkongu, Německa a Austrálie, podporují výzkum a inovace v této oblasti. Navíc společnosti jako Faradion Limited, TIAMAT SAS a HiNa Battery Technology Co. Ltd. do této technologie výrazně investují. Očekává se, že jak společnosti Contemporary Amperex Technology Co. Limited, tak společnosti Build Your Dreams brzy představí baterie pro elektromobily s NIB.
Bohužel však kapacita elektrodových materiálů používaných v NIB a KIB stále zaostává za kapacitou LIB. Na tomto pozadí výzkumný tým vedený profesorem Shinichi Komaba z Tokyo University Science (TUS), Japonsko, pracuje na vývoji průkopnických vysokokapacitních elektrodových materiálů pro NIB a KIB.
Ve své nejnovější studii Publikováno v Pokročilé energetické materiály 9. listopadu 2023 oznámili novou strategii syntézy pro nanostrukturované elektrody „tvrdého uhlíku“ (HC), které poskytují bezprecedentní výkon. Na studii se podíleli pan Daisuke Igarashi, paní Yoko Tanaka a docent Ryoichi Tatara z TUS a Dr. Kei Kubota z Národního institutu pro materiálové vědy (NIMS), Japonsko.
Ale co je HC a proč je užitečný pro NIB a KIB? Na rozdíl od jiných forem uhlíku, jako je grafen nebo diamant, je HC amorfní; postrádá dobře definovanou krystalickou strukturu. Navíc je pevný a odolný. V dřívější studii z roku 2021 našli Prof. Komaba a jeho kolegové způsob, jak využít oxid hořečnatý (MgO) jako templát během syntézy HC elektrod pro NIB, čímž se změní jejich konečná nanostruktura.
Tento proces vedl k vytvoření nanopórů v elektrodách po odstranění MgO, což zase výrazně zvýšilo jejich kapacitu pro ukládání Na.+ ionty.
Motivováni svými předchozími zjištěními vědci zkoumali, zda by sloučeniny vyrobené ze zinku (Zn) a vápníku (Ca) mohly být také užitečné jako nanošablony pro HC elektrody. Za tímto účelem systematicky zkoumali různé vzorky HC vyrobené za použití oxidu zinečnatého (ZnO) a uhličitanu vápenatého (CaCO3) a porovnali jejich účinnost s těmi, které byly syntetizovány pomocí oxidu hořečnatého (MgO).
Předběžné experimenty ukázaly, že ZnO byl zvláště slibný pro negativní elektrodu NIB. V souladu s tím vědci optimalizovali koncentraci ZnO zabudovaného v matrici HC během syntézy, což prokázalo reverzibilní kapacitu 464 mAh g-1 (odpovídá NaC4.8) s vysokou počáteční coulombickou účinností 91.7 % a nízkým průměrným potenciálem 0.18 V vs. Na+/Na.
Tým dosáhl pozoruhodných výsledků začleněním tohoto výkonného elektrodového materiálu do skutečné baterie. „NIB vyrobený s použitím optimalizovaného HC se šablonou ZnO jako záporná elektroda vykazoval hustotu energie 312 Wh kg-1, " vyzdvihuje prof. Komaba.
„Tato hodnota je ekvivalentní hustotě energie určitých typů aktuálně komercializovaných LIB s LiFePO4 a grafitu a je více než 1.6krát vyšší než hustota energie prvních NIB (192 Wh kg-1), o kterém naše laboratoř informovala již v roce 2011. Je pozoruhodné, že HC se šablonou ZnO také vykazoval významnou kapacitu 381 mAh g-1 při začlenění do KIB dále předvádí svůj potenciál.
Celkově vzato výsledky této studie ukazují, že použití anorganických nanočástic jako templátu pro kontrolu struktury pórů může poskytnout efektivní vodítko pro vývoj HC elektrod. "Naše zjištění dokazují, že HC jsou slibnými kandidáty na záporné elektrody jako alternativu ke grafitu," uzavírá prof. Komaba.
Tvarování tvrdého uhlíku pro získání výjimečně velkokapacitních elektrod pro sodno-iontové baterie: Do tvrdého uhlíku je možné zabudovat nanopóry použitím oxidu zinečnatého jako šablony při jeho syntéze. Tyto póry umožňují materiálu ukládat mnohem více nosičů náboje, což z něj činí slibného kandidáta na elektrodu pro sodno-iontové baterie, které mohou dosáhnout hustoty energie srovnatelné s hustotou lithium-iontových baterií typu LiFePO4. Obrazový kredit: Shinichi Komaba z TUS Japan
To by zase mohlo učinit NIB životaschopné pro praktické aplikace, jako je vývoj udržitelné spotřební elektroniky a elektrických vozidel, stejně jako systémy pro skladování energie s nízkou uhlíkovou stopou pro skladování energie ze solárních a větrných farem.
Zdroj: Tokijská univerzita vědy
