Lithium-ionbatterijen hebben jarenlang de markt van energieopslag bepaald, maar de toenemende vraag en het tekort aan lithium hebben de zoektocht naar beter bereikbare alternatieven aangezwengeld. Hier komen natrium-ion batterijen (SIBs) naar voren als een veelbelovende oplossing, dankzij de overvloed aan natrium in de natuur. Onderzoekers van het Advanced Institute of Science and Technology in Japan (JAIST) hebben een nieuwe electrodebindmiddel ontwikkeld dat deze batterijen naar de markt zou kunnen brengen, wat een belangrijke vooruitgang markeert.
De Uitdaging van Huidige Materialen
Batterijen hebben materialen nodig die niet alleen energie efficiënt opslaan, maar ook hun stabiliteit behouden door de tijd heen. Een belangrijke uitdaging voor SIBs was het vinden van een geschikte anode. Hard koolstof (HC) bleek veelbelovend, maar het gebruik ervan is beperkt gebleven vanwege de vorming van een oneffen en dikke solid electrolyte interface (SEI), wat de stabiliteit tijdens de laden- en ontladencycli vermindert.
Problemen met Traditionele Bindmiddelen
Om de stabiliteit van HC te verbeteren, zijn verschillende bindmiddelen gebruikt, zoals carboxymethylcellulosezouten, afgeleiden van polyacrylzuur en PVDF. Deze bindmiddelen echter bemoeilijken de diffusie van natriumionen, wat resulteert in een lage snellaadcapaciteit. Hier speelt het nieuwe door JAIST-onderzoekers ontwikkelde bindmiddel een rol.
Innovatie met Polifumaarzuur (PFA)
Het team geleid door Professor Noriyoshi Matsumi en doctoraatsstudent Amarshi Patra heeft een bindmiddel van polifumaarzuur (PFA) ontwikkeld, dat de eerder genoemde problemen belooft op te lossen. PFA is een polymeer met hoge functiedichtheid met carboxylzuur op elk koolstofatoom in de hoofdketen, wat de diffusie van natriumionen verbetert en een betere hechting aan de elektrode biedt.
Voordelen van PFA
PFA verbetert niet alleen de ionendiffusie, maar het is ook wateroplosbaar en niet-toxisch. Het voorloper, fumaarzuur, is een biogebaseerd polymeer wat het duurzamer maakt. In uitgevoerde tests toonden elektroden met PFA een aanzienlijk hogere hechting aan de elektronencomponenten en de stroomverzamelaar van koper, wat van cruciaal belang is voor de lange levensduur van de batterijen.
Fabricageproces en Resultaten
De onderzoekers synthetiseerden PFA door hydrolyse van polyfumaraatesters. Daarna mengden ze HC, Super P koolstof en PFA in water om een waterige pap te vormen, die werd gecoat op een koperfolie en daarna gedroogd om een HC-anode te vervaardigen. Deze anode, samen met een natriummetalen schijf en 1.0 M NaClO4 als elektrolyt, werd gebruikt om een halfcel te construeren.
Hechting- en Prestatietests
In de striptesten vertoonde de HC-elektrode met PFA-bindmiddel een pelsterkte van 12.5 N, wat beter was dan elektroden met polyacrylzuur (11.5 N) en PVDF (9.8 N). De oplaad-/ontlaad tests toonden specifieke capaciteiten van 288 mAh/g en 254 mAh/g bij stroomdichtheden van 30 mA/g en 60 mA/g, respectievelijk. Daarnaast behield de halfcel 85.4% van zijn capaciteit na 250 cyclus, wat wijst op een uitstekende lange-termijnstabiliteit.
Het diffusiecoëfficiënt van natriumionen voor de PFA-HC elektrode was significant hoger dan die voor elektroden met polyacrylzuur en PVDF, wat de voordelen van het nieuwe bindmiddel bevestigt.
Toekomstige Toepassingen en Samenwerkingen
Prof. Matsumi uitte zijn interesse in toekomstige samenwerkingen met bedrijven om deze technologie op de markt te brengen. PFA, als een duurzaam en efficiënt bindmiddel, heeft niet alleen toepassingen in SIBs, maar kan ook gebruikt worden in een breed scala van energieopslagapparaten.
Deze vooruitgang zou het wijdverspreide gebruik van betaalbare energiedragende apparaten gebaseerd op SIBs kunnen stimuleren, en daarmee bijdragen aan een energie-efficiënte en milieuvriendelijke samenleving.
Referenties: Mentes Curiosas en DOI: 10.1039/D4TA00285G.