Nowe podejście do starego problemu
Zespół irlandzkich naukowców opracował pierwszą na świecie pełnoogniwową baterię dwukationową, która jednocześnie wykorzystuje jony litu i sodu. To połączenie dwóch różnych metali w jednym systemie może być kluczem do rozwiązania problemów, z którymi borykają się obecne technologie. Kluczową innowacją jest zastosowanie sodu jako głównego składnika, podczas gdy lit pełni rolę swoistego wzmacniacza pojemności. Konstrukcja obejmuje anodę z nanodrutów germanowych oraz nowatorski proces chemicznej amorfizacji, który eliminuje konieczność wstępnego cyklowania znanego z konwencjonalnych baterii.
Po raz pierwszy pokazaliśmy, że baterie sodowo-jonowe mogą być “doładowane” poprzez sparowanie sodu i litu w dominującym sodzie dwukationowym elektrolicie – wyjaśnia Hugh Geaney z University of Limerick
Czytaj też: Przełom w fotowoltaice dzięki jednej substancji. Perowskity wreszcie gotowe na podbój rynku
Badania, prowadzone we współpracy z University of Birmingham, wykorzystały zaawansowaną metodę wyszukiwania losowych struktur ab-initio. Ta technika ujawniła istnienie nowej, stabilnej termodynamicznie fazy trójskładnikowej LiNaGe₃ w anodzie z germanu, co może stanowić podstawę dla kolejnych innowacji w tej dziedzinie. Nowa technologia osiąga pojemność 605 mAh g⁻¹ dla anody z nanodrutów germanowych, co stanowi dokładnie dwukrotność wydajności typowych baterii sodowo-jonowych wynoszącą 297 mAh g⁻¹.
Wprowadzając zarówno kationy litu, jak i sodu, faktycznie podwajamy pojemność baterii, która w przeciwnym razie byłaby niższa w typowej baterii sodowo-jonowej – dodaje Syed Abdul Ahad
Równie ważna jak zwiększona pojemność jest stabilność nowego rozwiązania. Bateria zachowuje 80% początkowej pojemności po 1000 cykli ładowania przy gęstości prądu 1 mA cm⁻². Dwukationowy elektrolit osiąga przewodność jonową 1,28 mS cm⁻¹, co znacznie przewyższa systemy oparte wyłącznie na sodzie (0,65 mS cm⁻¹). Pełne ogniwo z katodą FeS₂ wykazało początkową pojemność 358 mAh g⁻¹ z wydajnością kulombowską 99,5% po pierwszym cyklu. Po 200 cyklach bateria nadal dostarczała 166 mAh g⁻¹, utrzymując około 70% początkowej pojemności.
Co dalej z tą technologią?
Irlandzka technologia oferuje istotne korzyści zarówno środowiskowe, jak i ekonomiczne. Zastosowanie sodu jako głównego składnika może znacząco obniżyć koszty produkcji, ponieważ sód jest znacznie tańszy i bardziej dostępny niż lit. Co więcej, rozwiązanie zmniejsza zależność od kobaltu, materiału budzącego kontrowersje zarówno ze względu na koszty, jak i kwestie etyczne związane z wydobyciem. Naukowcy nie zamierzają poprzestać na dotychczasowych osiągnięciach. Planują rozszerzyć badania na nowe kombinacje materiałów, w tym anody na bazie krzemu oraz inne pary jonów jak lit-magnez i potas-lit. Prace były finansowane przez Government of Ireland Postdoctoral Fellowship oraz program Research Ireland Frontiers for the Future.
Czytaj też: Europa osiąga historyczny przełom energetyczny. Słońce stało się głównym źródłem prądu
Kluczowym pytaniem pozostaje teraz to, jak nowa strategia sprawdzi się w warunkach rzeczywistego użytkowania i czy uda się ją skalować do produkcji przemysłowej. Jeśli jednak wyniki zespołu z University of Limerick potwierdzą się w praktyce, moglibyśmy stać u progu prawdziwej zmiany w magazynowaniu energii. Podwojenie pojemności przy jednoczesnym obniżeniu kosztów i zwiększeniu dostępności materiałów to kombinacja, która może przyspieszyć rozwój zarówno elektroniki użytkowej, jak i elektromobilności. Ale czy obietnice laboratoryjne przełożą się na rzeczywiste produkty?