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Wissenschaftler entdecken eine hochleistungsfähige, kostengünstige Natrium-Ionen-Batterie
Jun 08, 2018

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In den mittleren und rechten Bildern, die mit einer Röntgentechnik am Berkeley Lab hergestellt wurden, besteht ein deutlicher Kontrast in der Untersuchung der Manganchemie in einem Batterieelektrodenmaterial. Eine andere Technik, bekannt als sXAS (Grafik links), zeigt nicht das gleiche Maß an Kontrast. (Kredit: Berkeley Lab)

 

Wissenschaftler haben einen neuen chemischen Zustand des Elements Mangan entdeckt. Dieser chemische Zustand, der vor etwa 90 Jahren erstmals vorgeschlagen wurde, ermöglicht eine leistungsstarke und kostengünstige Natrium-Ionen-Batterie, die schnell und effizient Energie speichern und verteilen kann, die von Solarzellen und Windturbinen über das Stromnetz erzeugt wird.

 

Dieser direkte Nachweis eines bisher unbestätigten Ladungszustands in einer Mangan-haltigen Batteriekomponente könnte neue Wege für die Erforschung von Batterieinnovationen eröffnen.

 

Röntgenuntersuchungen am Lawrence Berkeley National Laboratory des US Department of Energy (Berkeley Lab) waren der Schlüssel zu dieser Entdeckung. Die Studienergebnisse wurden am 28. Februar in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

 

Wissenschaftler des Berkeley Lab und der New York University nahmen an der Studie teil, die von Forschern von Natron Energy, ehemals Alveo Energy, einem in Kalifornien ansässigen Batteriehersteller mit Sitz in Palo Alto, geleitet wurde.

 

Die Batterie, die Natron Energy für die Studie lieferte, weist ein unkonventionelles Design für eine Anode auf, bei der es sich um eine der beiden Elektroden handelt. Verglichen mit den relativ ausgereiften Designs von Anoden, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, bleiben Anoden für Natrium-Ionen-Batterien ein aktiver Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung.

 

Die Anode dieser neuesten Studie besteht aus einer Mischung von Elementen - darunter Mangan, Kohlenstoff und Stickstoff -, die chemisch der Formel des eisenhaltigen Farbpigments namens Preußischblau ähnelt.


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Die atomare Struktur des Anodenmaterials, das eine hohe Leistung in einer Natriumionenbatterie erreichte. Natrium (Na) -Atome und Mangan (Mn) -Atome sind markiert. (Kredit: Berkeley Lab)

 

"Bei Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterien ist die Anode in der Regel kohlenstoffbasiert", sagte Wanli Yang, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Advanced Light Source des Berkeley Lab, der Röntgenquelle, die in den Batterieexperimenten verwendet wurde.

 

Aber in diesem Fall verwenden beide Elektroden der Batterie die gleiche Art von Materialien auf der Basis von Elementen, die als "Übergangsmetalle" bekannt sind, die in der Chemie nützlich sind, da sie verschiedene geladene Zustände zeigen können. Die andere Elektrode, Kathode genannt, enthält Kupfer, Stickstoff, Kohlenstoff und Eisen.

 

"Der sehr interessante Teil hier ist, dass beide Elektroden auf der Chemie von Übergangsmetallen in der gleichen Art von Materialien basieren", fügte er hinzu, mit Eisen in der Kathode und einer speziellen Manganchemie in der Anode.

 

"Einer der direkten Vorteile der Verwendung solcher Materialien für beide Elektroden in der Batterie ist, dass keine der beiden Elektroden die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer oder Kosten des Geräts grundlegend einschränkt", sagte Colin Wessells, CEO von Natron Energy. Die Batterie übertrifft die Zyklus- und Preisziele des Energieministeriums für Energiespeicherung im Rastermaßstab, wie die Forscher in ihrer jüngsten Studie berichten.

 

Wessells stellte fest, dass die Batterie sehr stabil ist, ihre Materialien reichlich vorhanden sind, ihre Gesamtkosten mit konventionellen Blei-Säure-Batterien konkurrieren und eine geringere Umweltbelastung als herkömmliche Batterien haben.

 

Die Batterie liefert nachweislich bis zu 90 Prozent ihrer Gesamtenergie in einer sehr schnellen, fünfminütigen Entladung und behält etwa 95 Prozent ihrer Entladungskapazität für 1.000 Zyklen bei. Es bietet eine Alternative zu erdgebundenen Energiespeichersystemen für das Stromnetz, bei denen Wasser bergauf gepumpt und dann bei Bedarf zur Stromerzeugung bergab freigelassen wird.

 

Wie die Batterie ihre hohe Leistung erreicht, hat Forscher jedoch verwirrt.

 

Es gab Spekulationen, die auf einen deutschsprachigen Zeitschriftenartikel von 1928 zurückgehen, dass Mangan in einem sogenannten "1-plus" oder "monovalenten" Zustand existieren könnte, was bedeutet, dass ein Manganatom in diesem Zustand nur ein einzelnes Elektron verliert. Dies ist ungewöhnlich, da Manganatome bekanntermaßen zwei oder mehr Elektronen oder keine Elektronen in chemischen Reaktionen abgeben, aber nicht nur eine.

 

Ein solcher neuartiger chemischer Zustand würde einen Spannungsbereich ermöglichen, der für Batterieanoden geeignet ist. Aber es gab keine Messungen, die diese monovalente Form von Mangan bestätigten.

 

Die Forscher von Natron Energy untersuchten die Batteriematerialien im Molekular-Foundry-Zentrum von Berkeley Lab, einem Nanowissenschaftszentrum, und boten dann einige Batteriezellen zur Untersuchung an der ALS an.

 

Die erste Runde von Röntgenbeugungsexperimenten an der ALS, die eine Technik namens weiche Röntgenabsorptionsspektroskopie verwendeten, schien hauptsächlich die 2-Plus-Form von Mangan zu zeigen.

 

"Wir haben nur einen Hinweis (von einer anderen Form) in den anfänglichen Tests gefangen und waren stark auf die Theorie angewiesen, um über einen anderen Staat zu spekulieren", sagte Andrew Wray von der New York University, der die theoretischen Berechnungen vornahm.

 

Dann wandte sich das Team an ein neu gebautes System an der ALS, genannt In-situ resonante inelastische Röntgenstreuung, oder iRIXS. Die Technik, die eine hochempfindliche Sonde der internen Materialchemie liefert, zeigte einen deutlichen Kontrast in den Elektronen während der Lade- und Entladezyklen der Batterie.

 

"Ein sehr klarer Kontrast zeigt sich sofort bei RIXS", sagte Yang. "Später stellten wir fest, dass sich Mangan 1-plus sehr, sehr nahe an dem typischen 2-Plus-Zustand anderer konventioneller Spektroskopie verhält", weshalb es seit Jahrzehnten schwierig war, es nachzuweisen.

 

Wray fügte hinzu: "Die Analyse der RIXS-Ergebnisse bestätigt nicht nur den Mangan-1-Plus-Zustand; es zeigt auch, dass die besonderen Umstände, die zu diesem Zustand führen, es den Elektronen erleichtern, sich in dem Material fortzubewegen. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum solch eine ungewöhnliche Batterieelektrode so gut funktioniert. "

 

Kommerzielle Prototypen, die auf der im Labor getesteten Batterie basieren, gingen zu Beginn des Jahres in den Betatest des Kunden, bemerkte Wessells. Neben den Netzanwendungen fördert Natron Energy unter anderem die Technologie für die Notstromversorgung von Rechenzentren sowie für schweres Gerät wie Elektrostapler.

 

Yang sagte, dass das chemische Rätsel, das in der letzten Studie gelöst wurde, andere F & E in neue Arten von Batterieelektroden inspirieren könnte. "Der Betrieb einer Batterie könnte zur Entstehung atypischer chemischer Zustände führen, die in unserem konventionellen Denken nicht existieren. Dieses grundlegende Verständnis könnte andere neuartige Designs auslösen und unsere Augen jenseits unserer konventionellen Weisheit öffnen "auf Elektrodenmaterialien, sagte er.

 

"Diese Studie war wie ein perfektes Paket, mit kombinierten Industrie, nationalen Labor und Universität Beiträge", sagte Yang.

 

Die Advanced Light Source und Molecular Foundry sind Einrichtungen des DOE Office of Science.

 

Die Arbeit wurde von der Advanced Research Projects Agency des US-Energieministeriums - Energy, dem Office of Science des Department of Energy, dem Labored Research and Development Program am Berkeley Lab und der National Science Foundation unterstützt.

 

出版社 Veröffentlichung: Ali Firouzi, et al., "Monovalente Mangan-basierte Anoden und Co-Solvens-Elektrolyt für stabile kostengünstige Natrium-Ionen-Batterien hoher Rate," Nature Communications, Band 9, Artikelnummer: 861 (2018) doi: 10.1038 / s41467-018-03257-1