Forscher der Oxford University und der Tokyo University of Science veröffentlichten am 17. Dezember separate Studien, in denen sie die Fortschritte bei Batteriematerialien detailliert beschreiben. Das Team aus Tokio zeigte, dass Natrium-Ionen-Batterien mit Hartkohlenstoff-Elektroden schneller aufgeladen werden können als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Oxford-Forscher entwickelten Elektrolyte, die beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand die Ionenleitfähigkeit beibehalten.
Das Team von Professor Shinichi Komaba an der Tokyo University of Science verwendete eine „Methode verdünnter Elektroden“, um die Ladegrenzen für Hartkohlenstoff zu ermitteln. Bei diesem Ansatz werden harte Kohlenstoffpartikel mit elektrochemisch inaktivem Aluminiumoxid vermischt, was beim Schnellladen Ionenstaus in dichten Elektroden verhindert. Cyclovoltammetrie und elektrochemische Analyse ergaben, dass sich Natriumionen schneller durch harten Kohlenstoff bewegen als Lithiumionen. Der scheinbare Diffusionskoeffizient, der die Ionenmobilität anzeigt, erwies sich für Natrium in den meisten Fällen als höher.
„Unsere Ergebnisse zeigen quantitativ, dass die Ladegeschwindigkeit eines SIB mit einer HC-Anode schneller sein kann als die eines LIB“, sagte Komaba. Die Studie ergab, dass Natrium eine geringere Aktivierungsenergie benötigt, um pseudometallische Cluster in Hartkohlenstoff-Nanoporen zu bilden. Diese Eigenschaft macht die Natriumeinfügung weniger temperaturempfindlich. Die Forschung erschien in Chemical Science.
An der Universität Oxford entwickelten Paul McGonigal und die Doktorandin Juliet Barclay Elektrolyte auf Cyclopropeniumbasis. Diese Materialien stellen die Vorstellung in Frage, dass die Ionenmobilität stark abnimmt, wenn Flüssigkeiten erstarren. Das Team entwarf scheibenförmige Moleküle mit flexiblen Seitenketten, die sich beim Erstarren selbst zu Säulen zusammenfügen. Diese Anordnung verteilt positive Ladung über einen flachen Kern, vermeidet den Einschluss negativer Ionen und bewahrt eine durchlässige Struktur für den Ionenfluss.
„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, organische Materialien so zu konstruieren, dass die Ionenmobilität nicht einfriert, wenn das Material erstarrt“, sagte Barclay. Tests in der Studie bestätigten eine konstante Leitfähigkeit über flüssige, flüssigkristalline und feste Phasen hinweg für verschiedene Ionentypen. Das in Science veröffentlichte Werk erschien am 17. Dezember.
Die Ergebnisse aus Tokio unterstreichen das Potenzial von Natrium-Ionen-Batterien für ein schnelleres Laden mit Hartkohlenstoffanoden. Die Oxford-Elektrolyte bieten einen Weg zu sichereren Batterien, indem sie es Herstellern ermöglichen, Materialien für den Zusammenbau in Flüssigkeiten zu erhitzen und sie dann in Feststoffe abzukühlen, was Leckagen und Brandrisiken reduziert und gleichzeitig die Leistung aufrechterhält.
