Solusi Natrium: Mengurangi Biaya dan Kompleksitas Baterai

Simulasi struktur mikro menunjukkan dampak signifikan dari deformasi elastis pada karakteristik pengisian oksida berlapis yang digunakan sebagai katoda dalam baterai natrium-ion.

Penelitian difokuskan pada peningkatan kinerja, umur panjang, dan keterjangkauan bahan baterai baru. Upaya juga dilakukan untuk mengurangi penggunaan unsur-unsur langka dan beracun seperti litium dan kobalt. Dalam konteks ini, baterai natrium-ion muncul sebagai alternatif yang menjanjikan. Mereka beroperasi dengan prinsip yang mirip dengan baterai lithium-ion tetapi dibuat dari bahan mentah yang tersedia di Eropa.

Dan mereka cocok untuk aplikasi stasioner dan seluler. “Oksida berlapis, seperti oksida natrium-nikel-mangan, merupakan bahan katoda yang sangat menjanjikan,” kata Dr. Simon Daubner, Pemimpin Kelompok di Institut Bahan Terapan – Pemodelan dan Simulasi Struktur Mikro (IAM-MMS) dari KIT dan penulis koresponden dari KIT. pembelajaran. Dalam Cluster of Excellence POLiS (singkatan dari Publish Lithium Storage), dia menyelidiki teknologi natrium-ion.

Pengisian Cepat Menciptakan Tekanan Mekanis

Namun bahan katoda jenis ini mempunyai permasalahan. Oksida natrium-nikel-mangan mengubah struktur kristalnya tergantung pada berapa banyak natrium yang disimpan. Jika materi diisi dengan lambat, semuanya akan berjalan dengan teratur. “Natrium meninggalkan materialnya Lapis demi lapis, sama seperti mobil yang meninggalkan tempat parkirnya sedikit demi sedikit,” jelas Daubner. “Tetapi saat pengisian daya dilakukan dengan cepat, natrium diekstraksi dari semua sisi.” Hal ini mengakibatkan tekanan mekanis yang dapat merusak materials secara permanen.

Bagian lapisan katoda (sekitar 100 mikrometer, kiri) yang terdiri dari partikel bulat (diameter sekitar sepuluh mikrometer, tengah) dan simulasi (kanan) fraksi natrium dalam kristal oksida natrium-nikel-mangan. Kredit: Simon Daubner, KIT

Para peneliti dari Institute of Nanotechnology (INT) dan IAM-MMS dari KIT, bersama dengan ilmuwan dari Ulm College dan Heart for Photo voltaic Power and Hydrogen Analysis Baden-Württemberg (ZSW), baru-baru ini melakukan simulasi untuk memperjelas situasi. Mereka melapor npj Bahan Komputasijurnal Alam portofolio.

Eksperimen Konfirmasi Hasil Simulasi

“Mannequin komputer dapat menggambarkan berbagai skala panjang, mulai dari susunan atom dalam bahan elektroda hingga struktur mikronya hingga sel sebagai unit fungsional baterai apa pun,” kata Daubner.

Untuk mempelajari oksida berlapis NaXNi1/3Mn2/3O2, mannequin struktur mikro digabungkan dengan eksperimen pengisian dan pengosongan lambat. Bahan tersebut ditemukan menunjukkan beberapa mekanisme degradasi yang menyebabkan hilangnya kapasitas. Oleh karena itu, ini belum cocok untuk aplikasi komersial.

Perubahan struktur kristal menghasilkan deformasi elastis. Kristal menyusut, yang dapat menyebabkan retak dan penurunan kapasitas. Simulasi INT dan IAM-MMS menunjukkan bahwa pengaruh mekanis ini menentukan waktu yang dibutuhkan untuk mengisi daya materials. Studi eksperimental di ZSW mengkonfirmasi hasil ini.

Temuan penelitian ini dapat ditransfer sebagian ke oksida berlapis lainnya. “Sekarang, kami memahami proses dasar dan dapat mengerjakan pengembangan bahan baterai yang tahan lama dan dapat diisi dayanya secepat mungkin,” Daubner merangkum. Hal ini dapat menyebabkan meluasnya penggunaan baterai natrium-ion dalam waktu lima hingga sepuluh tahun.

Referensi: “Studi gabungan transisi fasa pada bahan katoda NaXNi1/3Mn2/3O2 tipe P2: hasil eksperimen, ab-initio, dan medan multifase” oleh Simon Daubner, Manuel Dillenz, Lukas Fridolin Pfeiffer, Cornelius Gauckler, Maxim Rosin, Nora Burgard, Jan Martin, Peter Axmann, Mohsen Sotoudeh, Axel Groß, Daniel Schneider dan Britta Nestler, 18 April 2024, npj Bahan Komputasi.
DOI: 10.1038/s41524-024-01258-x