Japanse onderzoekers hebben een manier gevonden om de prestaties van natrium-ionbatterijen drastisch te verbeteren. Door een simpele wijziging in het materiaalontwerp worden ze veiliger, efficiënter en potentieel goedkoper dan lithiumbatterijen.
Natrium-ionbatterijen hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen als betaalbaar en duurzaam alternatief voor lithiumbatterijen. Nu hebben onderzoekers van Kogakuin University in Japan een belangrijke stap gezet: door fosfor toe te voegen aan natrium-ytrium-silicaatglazen verbeteren ze de prestaties van deze materialen als vaste elektrolyten.
Volgens de studie, gepubliceerd in Ceramics International, is de verbetering vooral te danken aan de vorming van de Na5RSi4O12-kristalfase (R = zeldzame aardmetalen). Deze kristalfase kan als solid electrolyte dienen voor volledig solide natrium-ionbatterijen, die veiliger en efficiënter zijn dan hun vloeibare tegenhangers.
Fosfor opent nieuwe mogelijkheden
Het team ontdekte dat de kristalfase kan worden verkregen als glas-keramisch materiaal. Door fosfor toe te voegen aan het glas-voorloper, breidt het bereik waarin de Na5RSi4O12-fase ontstaat aanzienlijk uit. Dit maakt de fabricage robuuster en beter controleerbaar, een cruciale stap voor toekomstige commerciële toepassingen.
Analyse van de materialen met neutron- en röntgendiffractie, vaste-stof NMR-spectroscopie en microscopie liet zien dat fosfor in het glaskeramiek vrijwel volledig wordt opgenomen in de Si-plaatsen van het kristal, in plaats van achter te blijven in het glas. Hierdoor blijft de ionische geleiding optimaal, terwijl de structuur sterker en stabieler wordt.
Sneller, veiliger en goedkoper dan ooit
Natrium-ionbatterijen werken volgens hetzelfde principe als lithium-ionbatterijen: ze slaan energie op en geven deze weer vrij via ionenbeweging. Het grote voordeel van natrium is dat het overvloedig en goedkoop is, bijvoorbeeld in keukenzout en zeewater. Dit vermindert afhankelijkheid van schaarse grondstoffen en complexe supply chains.
Bovendien bieden sommige natriumbatterijchemieën meer veiligheid en betere prestaties bij lage temperaturen, waardoor ze interessant zijn voor grootschalige energieopslag van hernieuwbare energie zoals zon en wind. De toevoeging van fosfor aan glas-kristallen maakt supersnelle laadtijden mogelijk in laboratoriumtests, zonder in te boeten aan stabiliteit of veiligheid.
Solid-state als gamechanger
Een belangrijk aspect van deze ontdekking is de toepassing in all-solid-state natrium-ionbatterijen. Vaste elektrolyten zijn niet brandbaar, wat het risico op brand en oververhitting verlaagt. Tegelijkertijd maken ze sneller laden en ontladen mogelijk, wat zowel elektrische voertuigen als energieopslagsystemen efficiënter maakt.
Serieuze concurrent voor lithium
Hoewel lithiumbatterijen nog steeds de markt domineren, laat deze Japanse doorbraak zien dat natrium-ionbatterijen een serieuze concurrent kunnen worden. Met verbeterde veiligheid, lagere kosten en hoge laadsnelheden ligt de weg open voor nieuwe toepassingen in voertuigen, grootschalige opslag en mogelijk zelfs consumentenelektronica.
De combinatie van fosforversterkte glas-kristallen en solid-state technologie kan ervoor zorgen dat natrium-ionbatterijen binnenkort een echte doorbraak bereiken, waarbij ze sneller, veiliger en betaalbaarder zijn dan ooit tevoren.
