Badano katody tlenku sodowo-jonowego wykonane z cząsteczek rdzenia powłokowego przejściowego metalu — rdzenia bogatego w nikiel, otoczonego powłoką bogatą w kobalt i mangan.
„Powierzchnia manganowa zapewnia cząstce stabilność strukturalną podczas cyklicznego ładowania-rozładowania” — informuje laboratorium. „Rdzeń niklowy zapewnia wysoką pojemność do przechowywania energii.”
Pojemność akumulatora energii stopniowo malała podczas cyklicznych procesów, kiedy pęknięcia zaczęły tworzyć się w cząstkach katody z powodu deformacji zachodzącej między powłoką a rdzeniem cząsteczek.
Dalsze badania wykazały, że pęknięcia te tworzą się głęboko wewnątrz cząsteczek, a nie, jak oczekiwano, na ich powierzchni. To również odkryło sposób zapobiegania powstawaniu pęknięć.
Te dwa ostatnie stwierdzenia świadczą o ogromnych wysiłkach badawczych wymaganych do dokonania odkrycia, które — oprócz innych urządzeń — wymagało użycia dwóch najpotężniejszych synchrotronów na świecie oraz superkomputera mieszczącego się w pierwszej pięćdziesiątce na świecie: Advanced Photon Source z Argonne, National Synchrotron Light Source II z Brookhaven National Laboratory oraz komputera Polaris z Argonne.
„Zapobieganie powstawaniu pęknięć podczas syntezy katody daje znaczące korzyści, gdy katoda jest później ładowana i rozładowywana” — powiedział chemik z laboratorium Argonne, Gui-Liang Xu.
Pozornie proste, odporne na pęknięcia cząsteczki katody, które nie traciły pojemności przez 400 cykli pracy, były wynikiem zmiany obróbki termicznej, jaką stosuje się do ich produkcji.
Cząsteczki katody „rdzeń-powłoka” produkowane są poprzez podgrzewanie prekursorów wodorotlenku w temperaturze do 600°C.
Przy nagrzewaniu z prędkością 5°C/min, pęknięcia zaczynały się tworzyć na granicy rdzenia i powłoki już przy temperaturze 250°C, a przy bardzo wolnym nagrzewaniu — 1°C/min — powstawały mocniejsze cząsteczki.
„Perspektywy są bardzo obiecujące dla przyszłych akumulatorów sodowo-jonowych, które będą nie tylko tańsze i trwalsze, ale także będą miały gęstość energii porównywalną z katodami fosforanowo-żelazowymi stosowanymi obecnie w wielu akumulatorach litowo-jonowych. To doprowadzi do samochodów elektrycznych o dużym zasięgu” — stwierdził lider zespołu badawczego baterii z Argonne Khalil Amin.
Przyszłe prace w laboratorium będą obejmować próbę obniżenia kosztów i zwiększenia trwałości poprzez usunięcie niklu z katody.