Karlsruhe Institute of Technology
Simulacije mikrostrukture razkrivajo močan vpliv elastične deformacije na polnilno obnašanje oksidov v plasteh, ki se uporabljajo kot katoda v natrij-ionskih baterijah.
Kateri dejavniki določajo, kako hitro je mogoče napolniti baterijo? To in druga vprašanja proučujejo raziskovalci Tehnološkega inštituta Karlsruhe (KIT) s pomočjo računalniških simulacij. Mikrostrukturni modeli pomagajo pri odkrivanju in raziskovanju novih materialov za elektrode. Simulacije razkrivajo spremembe kristalne strukture med polnjenjem pri uporabi natrij-nikelj-manganovega oksida kot katodnega materiala v natrij-ionskih baterijah. Te spremembe povzročijo elastično deformacijo, zaradi katere se zmogljivost zmanjša. Raziskovalci poročajo v npjComputationalMaterials (DOI: 10.1038/s41524-024-01258-x).
Raziskave novih materialov za baterije so namenjene optimizaciji njihove zmogljivosti in življenjske dobe ter zmanjšanju stroškov. Prav tako potekajo prizadevanja za zmanjšanje porabe redkih elementov, kot sta litij in kobalt, ter strupenih sestavin. Natrij ionske baterije veljajo v tem pogledu za zelo obetavne. Temeljijo na podobnih načelih kot litij ionske baterije, vendar se lahko proizvajajo iz surovin, ki so v Evropi široko dostopne. Primerne so za stacionarne in mobilne aplikacije. Dr. Simon Daubner, vodja skupine na Inštitutu za uporabne materiale – modeliranje in simulacija mikrostrukture (IAM-MMS) na inštitutu KIT in avtor študije, pravi: „Slojeviti oksidi, kot so natrijevi, nikljevi in manganovi oksidi, so zelo obetavni katodni materiali“. V okviru grozda odličnosti POLiS (kratica za Post LithiumStorage) raziskuje natrij ionsko tehnologijo.
Hitro polnjenje povzroča mehanski stres
Vendar imajo katodni materiali te vrste težavo. Natrij-nikelj-manganovi oksidi spreminjajo svojo kristalno strukturo glede na količino shranjenega natrija. Če se material polni počasi, se vse odvija na dobro urejen način. „Natrij zapušča material plast za plastjo, tako kot avtomobili zapuščajo parkirišče eden za drugim,“ pojasnjuje Daubner. „Če pa je polnjenje hitro, se natrij izloča z vseh strani.“ To povzroči mehanske napetosti, ki lahko trajno poškodujejo material.
Raziskovalci Inštituta za nanotehnologijo (INT) in IAM-MMS inštituta KIT so skupaj z znanstveniki Univerze Ulm in Centra za sončno energijo in raziskave vodika Baden-Württemberg (ZSW) pred kratkim izvedli simulacije, da bi pojasnili situacijo. O tem poročajo v ComputationalMaterials, reviji iz portfelja Nature.
Eksperimenti potrjujejo rezultate simulacij
„Računalniški modeli lahko opisujejo različne dolžinske lestvice, od razporeditve atomov v elektrodnih materialih, njihove mikrostrukture do celice kot funkcionalne enote vsake baterije,“ pravi Daubner.
Za preučevanje plastnatega oksida NaXNi1/3Mn2/3O2 so mikrostrukturne modele kombinirali s poskusi počasnega polnjenja in praznjenja. Ugotovljeno je bilo, da ima material več mehanizmov razgradnje, ki povzročajo izgubo zmogljivosti. Zato še ni primeren za komercialno uporabo. Sprememba kristalne strukture povzroči elastično deformacijo. Kristal se skrči, kar lahko povzroči nastanek razpok in zmanjšanje zmogljivosti. Simulacije INT in IAM-MMS kažejo, da ta mehanski vpliv odločilno vpliva na čas, potreben za polnjenje materiala. Eksperimentalne študije na ZSW potrjujejo te rezultate.
Ugotovitve študije je mogoče delno prenesti na druge plastovite okside. „Zdaj razumemo osnovne procese in lahko delamo na razvoju baterijskih materialov, ki so obstojni in jih je mogoče polniti čim hitreje,“ povzame Daubner. To bi lahko v petih do desetih letih privedlo do široke uporabe natrij-ionskih baterij.
Izvirna objava (odprt dostop):
Simon Daubner, ManuelDillenz, Lukas FridolinPfeiffer, CorneliusGauckler, Maxim Rosin, Nora Burgard, Jan Martin, Peter Axmann, MohsenSotoudeh, AxelGroß, Daniel Schneider, Britta Nestler: Npr.: Combinedstudyofphasetransitions in the P2-type NaXNi1/3Mn2/3O2 cathode material: experimental, ab-initioandmultiphase-fieldresults.
DOI: 10.1038/s41524-024-01258-x
