Znanstveniki načrtujejo nizko-cenovno natrijev-ionsko baterijo s poceni materiali za elektrode

Mednarodna raziskovalna skupina je zasnovala sistem za shranjevanje natrijev-ionske baterije (SIB), ki temelji na katodnem materialu tipa P2, znanem kot Na0,67Mn0,33Ni0,33Fe0,33O2, in anodi, ki temelji na trdem ogljikovem materialu, izdelanem iz cvetov sivke.

Predlagana konfiguracija sistema je namenjena nizko-cenovni izdelavi ob zagotavljanju razširljivosti in okoljske trajnosti, saj sta materiala elektrod opisana kot "široko dostopna" predhodnika.

»Rastlinska raznolikost in proizvodna zmogljivost sta pomembna dejavnika, ki vplivata na komercializacijo SIB-jev, saj so trdi oglji-iz rastlin trajnostni in ekonomični,« so pojasnili raziskovalci. "Trdi ogljik, pridobljen iz rastlin, ohranja mikrostrukture rastlinskih tkiv in s tem poveča penetracijo elektrolita in difuznost natrija.

Znanstveniki so ocenili svetovno proizvodnjo sivke na približno 1000–1500 ton letno. Vendar pa je le majhen del te proizvodnje mogoče uporabiti za elektrodne materiale, saj je le ostanek cvetov primeren za pretvorbo v trdi ogljik.

Opazili so tudi, da imata trda ogljikova anoda in katoda tipa P2- v polni celici nezadostne rezervoarje natrija, kar vodi do slabe elektrokemične učinkovitosti. "Sedanje delo odpravlja to vrzel z ocenjevanjem celotne -celične zmogljivosti P2-Na0.67Mn0.9Ni0.1O2 skupaj s trdim ogljikom, pridobljenim iz odpadkov cvetov sivke, pod različnimi pristopi prednasodiacije," so še pojasnili.

Znanstveniki so uporabili rentgensko difrakcijo (XRD), vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM), rentgensko fotoelektronsko spektroskopijo (XPS), infrardečo spektroskopijo s Fourierjevo-transformacijo (FTIR) in Ramanovo spektroskopijo za karakterizacijo katode in anode sistema SIB ter ugotovili, da ima katoda šesterokotno P63/mmc struktura, medtem ko je anoda pokazala značilne široke vrhove amorfnega ogljika.

SEM in TEM sta razkrila zlasti mikrometrska-velika katodna zrna in porozno trdo ogljikovo površino, EDS in XPS pa sta pokazala, da ima material dobro strukturno stabilnost. Nadaljnja analiza je tudi pokazala, da je vključitev niklja (Ni) izboljšala strukturno, elektronsko in elektrokemično delovanje katode.

Poleg tega je elektrokemično testiranje pokazalo začetne kapacitete 200 mAh/g za katodo in 360 mAh/g za anodo z ohranitvijo zmogljivosti 42 % in 67,4 % po 100 ciklih. Na splošno je bilo ugotovljeno, da je dopiranje Ni izboljšalo prevodnost in stabilnost katode, anoda pa je po mnenju raziskovalcev pokazala dobro zmogljivost shranjevanja natrija, kar podpira močne pol-celice in potencialno polno-celično delovanje.

"Ta obsežna študija poudarja potencial za razvoj SIB-jev z nizko-cenovnimi in trajnostnimi materiali elektrod," so zaključili. "Optimizacija strategij predsodiacije ponuja priložnost za napredne komercialne in razširljive tehnologije SIB."

Sistem je bil opisan v študiji »Cost{0}}effective sodium-batteries using a Na0.67Mn0.9Ni0.1O2 cathode and lavender{6}}cvet-waste-derived hard carbon with a comparative pre-soaking approach«, objavljeni v Journal of Power Sources. Raziskovalno skupino so med drugim sestavljali znanstveniki s turške univerze Inonu, istanbulske tehnične univerze, univerze Malatya Turgut Ozal in univerze Aksaray, pa tudi s korejskega inštituta za znanost in tehnologijo ter pakistanske univerze Quaid-i-Azam.