Αντικατάσταση λιθίου με νάτριο στις μπαταρίες

νάτριο

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από τη NUST MISIS, τη Ρωσική Ακαδημία Επιστημών και το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf διαπίστωσε ότι αντί του λιθίου (Li), το νάτριο (Na) «στοιβάζεται» με έναν ειδικό τρόπο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή μπαταριών. Οι μπαταρίες νατρίου θα είναι σημαντικά φθηνότερες και ισοδύναμα ή ακόμη πιο μεγάλες από τις υπάρχουσες μπαταρίες λιθίου. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύονται στο περιοδικό Nano Energy.

Είναι δύσκολο να υπερεκτιμήσουμε το ρόλο των μπαταριών ιόντων λιθίου στη σύγχρονη ζωή. Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται παντού: σε κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, κάμερες, καθώς και σε διάφορους τύπους οχημάτων και διαστημοπλοίων. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου εισήλθαν στην αγορά το 1991, και το 2019 στους εφευρέτες τους απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ στη χημεία για την επαναστατική συμβολή τους στην ανάπτυξη της τεχνολογίας. Ταυτόχρονα, το λίθιο είναι ένα ακριβό αλκαλικό μέταλλο και τα αποθέματά του είναι περιορισμένα παγκοσμίως. Επί του παρόντος, δεν υπάρχει απομακρυσμένη αποτελεσματική εναλλακτική λύση για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Λόγω του γεγονότος ότι το λίθιο είναι ένα από τα ελαφρύτερα χημικά στοιχεία, είναι πολύ δύσκολο να αντικατασταθεί ώστε να δημιουργηθούν μεγάλης χωρητικότητας μπαταρίες.

Η ομάδα επιστημόνων από τη NUST MISIS, τη Ρωσική Ακαδημία Επιστημών και το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, με επικεφαλής τον καθηγητή Arkadiy Krashennikov, προτείνει μια εναλλακτική λύση. Διαπίστωσαν ότι εάν τα άτομα μέσα στο δείγμα «στοιβάζονται» με έναν συγκεκριμένο τρόπο, τότε τα αλκαλικά μέταλλα εκτός από το λίθιο δείχνουν επίσης υψηλής έντασης ενέργεια. Η πιο υποσχόμενη αντικατάσταση για το λίθιο είναι το νάτριο (Na), καθώς μια διάταξη δύο στρωμάτων ατόμων νατρίου σε στοιβάδα bigraphen δείχνει ικανότητα ανόδου συγκρίσιμη με τη χωρητικότητα μιας συμβατικής ανόδου γραφίτη σε μπαταρίες ιόντων λιθίου – περίπου 335 mA * h / g έναντι 372 mA * h / g για λίθιο. Ωστόσο, το νάτριο είναι πολύ πιο κοινό από το λίθιο, και ως εκ τούτου φθηνότερο και πιο εύκολο να ληφθεί.

Ένας ειδικός τρόπος στοίβαξης ατόμων είναι να τοποθετηθούν το ένα πάνω στο άλλο. Αυτή η δομή δημιουργείται με μεταφορά ατόμων από ένα κομμάτι μετάλλου στο χώρο μεταξύ δύο φύλλων γραφενίου υπό υψηλή τάση, η οποία προσομοιώνει τη διαδικασία φόρτισης μιας μπαταρίας. Στο τέλος, μοιάζει με ένα σάντουιτς που αποτελείται από ένα στρώμα άνθρακα, δύο στρώματα αλκαλίων και ένα άλλο στρώμα άνθρακα.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΑΚΟΜΑ

Ο Ilya Chepkasov, ερευνητής στο εργαστήριο ανόργανων νανοϋλικών NUST MISIS, λέει, «Για μεγάλο χρονικό διάστημα, πιστεύεται ότι τα άτομα λιθίου στις μπαταρίες μπορούν να εντοπιστούν μόνο σε ένα στρώμα, διαφορετικά το σύστημα θα είναι ασταθές. Παρόλα αυτά, πρόσφατα πειράματα Γερμανών συναδέλφων έχουν δείξει ότι με προσεκτική επιλογή μεθόδων, είναι δυνατό να δημιουργηθούν σταθερές δομές λιθίου πολλαπλών στρωμάτων μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου. Αυτό ανοίγει ευρείες προοπτικές για την αύξηση της χωρητικότητας τέτοιων δομών. Επομένως, μας ενδιέφερε να μελετήσουμε τη δυνατότητα σχηματισμού πολυστρωματικών δομών με άλλα αλκαλικά μέταλλα, συμπεριλαμβανομένου του νατρίου, χρησιμοποιώντας προσομοίωση υπολογιστή».

Ο Zakhar Popov, ανώτερος ερευνητής του NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials λέει, «η προσομοίωση μας δείχνει ότι τα άτομα λιθίου συνδέονται πολύ πιο έντονα με το γραφένιο, αλλά η αύξηση του αριθμού των στρωμάτων λιθίου οδηγεί σε λιγότερη σταθερότητα. Η αντίθετη τάση παρατηρείται στην περίπτωση του νατρίου – καθώς ο αριθμός των στιβάδων νατρίου αυξάνεται, η σταθερότητα αυτών των δομών αυξάνεται, οπότε ελπίζουμε ότι τέτοια υλικά θα ληφθούν στο πείραμα».

Το επόμενο βήμα της ερευνητικής ομάδας είναι να δημιουργήσει ένα πειραματικό δείγμα και να το μελετήσει στο εργαστήριο. Αυτό θα αντιμετωπιστεί στο Max Planck Institute for Solid State Research, στη Στουτγκάρδη, στη Γερμανία. Εάν επιτύχει, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια νέα γενιά μπαταριών νατρίου που θα είναι σημαντικά φθηνότερες και ισοδύναμα ή ακόμη και πιο μεγάλης χωρητικότητας από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Επιστημονικό Άρθρο:

Ilya V. Chepkasov et al. Alkali metals inside bi-layer graphene and MoS2: Insights from first-principles calculations, Nano Energy (2020).


Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Δημοσθένης Γκερλιώτης

Σπούδασα Ιστορία και Φιλοσοφία της Επιστήμης (Ε.Κ.Π.Α.) με μεταπτυχιακή ειδίκευση στις σπουδές Επιστήμης και Τεχνολογίας, τα ενδιαφέροντα μου είναι οι Βιοεπιστήμες, η Βιοτεχνολογία και ζητήματα πολιτικής και δικαίου σε σχέση με την Τεχνολογία.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;