Es wurden Natrium-Ion-Oxid-Kathoden untersucht, die aus Partikeln eines Übergangsmetallkern-Hüllen-Aufbaus bestehen — einem nickelreichen Kern, der von einer hülle, die reich an Kobalt und Mangan ist, umgeben ist.
„Die Manganoberfläche verleiht dem Partikel während des zyklischen Lade-Entladevorgangs strukturelle Stabilität“, berichten die Forscher im Labor. „Der Nickelkern sorgt für eine hohe Energiespeicherkapazität.“
Die Speicherkapazität des Energiespeichers nahm während zyklischer Prozesse allmählich ab, wenn Risse in den Kathodenpartikeln zu entstehen begannen, aufgrund der Deformation, die zwischen der Hülle und dem Kern in den Partikeln auftrat.
Weitere Untersuchungen zeigten, dass sich diese Risse tief im Inneren der Partikel bildeten, und nicht, wie erwartet, auf deren Oberfläche. Dies zeigte auch eine Möglichkeit zur Verhinderung der Rissbildung auf.
Diese beiden letzten Feststellungen deuten auf enorme Forschungsbemühungen hin, die erforderlich waren, um diese Entdeckung zu machen, die unter anderem die Nutzung zweier der leistungsstärksten Synchrotronen der Welt und eines Supercomputers, der unter die Top 50 der Welt fällt, erforderte: die Advanced Photon Source von Argonne, die National Synchrotron Light Source II von Brookhaven National Laboratory sowie den Polaris-Computer von Argonne.
„Das Verhindern der Rissbildung während der Kathodensynthese bringt erhebliche Vorteile, wenn die Kathode später geladen und entladen wird“, sagte der Chemiker Gui-Liang Xu vom Argonne-Labor.
Täuschend einfache, rissbeständige Kathodenpartikel, die ihre Kapazität nach 400 Zyklen nicht verloren, waren das Ergebnis einer Änderung der thermischen Behandlung, die für ihre Herstellung verwendet wird.
Kern-Hüllen-Kathodenpartikel werden durch Erhitzen von Hydroxidvorläufern bei Temperaturen bis zu 600°C hergestellt.
Bei einer Erwärmung von 5°C/Minuten begannen sich Risse an der Grenze zwischen Kern und Hülle schon bei nur 250°C zu bilden, während bei einer sehr langsamen Erwärmung von 1°C/Min stärkere Partikel entstanden.
„Die Aussichten sehen sehr vielversprechend aus für zukünftige Natrium-Ionen-Batterien, die nicht nur günstiger und langlebiger sind, sondern auch eine Energiedichte aufweisen, die mit der von Lithium-Eisenphosphat-Kathoden vergleichbar ist, die derzeit in vielen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Das wird zu Elektroautos mit einer guten Reichweite führen“, erklärte der Leiter des Batterieentwicklungsteams bei Argonne, Khalil Amin.
Künftige Arbeiten im Labor werden den Versuch beinhalten, die Kosten zu senken und die Haltbarkeit zu verbessern, indem Nickel aus der Kathode entfernt wird.