Japonijos mokslininkai pasiekė reikšmingą proveržį, kuris gali atverti kelią saugesnėms ir aukštos spartos natrio jonų baterijoms.
Tyrėjų komanda nustatė, kad fosforo papildymas natrio–itrijo–silicio stikluose gali padėti kurti naujos kartos natrio jonų baterijas. Tai gerokai pagerina šių medžiagų savybes, naudojant jas kaip kietuosius elektrolitus visai kietojo kūno natrio jonų baterijoms.
Mokslininkai iš „Kogakuin University“ pabrėžė, kad pagerėjimas siejamas su Na₅RSi₄O₁₂ kristaline faze (R – lantanidai, t. y. retosios žemės elementai), kuri gali būti naudojama kaip kietojo elektrolito medžiaga visai kietojo kūno natrio jonų baterijose.
Kristalinė fazė gali būti gaunama kaip stiklo keramika
Tyrėjai parodė, kad ši kristalinė fazė gali būti gauta kaip stiklo keramika, o fosforo (P) pridėjimas į pradinį stiklo lydinį labai išplečia Na₅RSi₄O₁₂ fazės susidarymo sritį.
Žurnale „Ceramics International“ publikuotame darbe aprašoma, kad stiklas ir stiklo keramika buvo pagaminti ir jų struktūros įvertintos naudojant neutroninę ir aukštos energijos rentgeno spindulių difrakciją, kietojo kūno branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopiją ir mikroskopiją. Taip buvo nagrinėjamas P pridėjimo poveikis stiklo struktūrai ir fosforo būsenai po kristalizacijos.
Nustatyta, kad Na₄Y₀,₆P₀,₂Si₂,₈O₉ stikle fosforo pridėjimas šiek tiek polimerizavo trimačius tinklus, sudarytus iš SiO₄ ir PO₄ tetraedrų, tačiau nepakeitė jo joninio laidumo. Na₄Y₀,₆P₀,₂Si₂,₈O₉ stiklo keramikoje fosforas beveik visiškai ištirpo Si vietoje Na₅YSi₄O₁₂ kristale, o ne liko likutiniame stikle. Silicio pakeitimas fosforu, kuris yra didesnio elektronegatyvumo, gali paveikti stiklo keramikos joninį laidumą.
Tyrėjų komanda taip pat pabrėžė, kad natrio jonų baterijos veikia pagal tą patį principą kaip ir ličio jonų baterijos, jos pasižymi greitu įkrovimu ir iškrovimu. Todėl visiškai kietojo kūno natrio jonų baterijų – kietojo kūno analogų įprastoms natrio jonų baterijoms – praktinis pritaikymas yra itin svarbus daugelyje pramonės sričių.
Šiame tyrime buvo susintetinti ir įvertinti fosforo neturintys ir fosforo turintys stiklai bei stiklo keramikos, naudojant įvairius analitinius metodus, siekiant nustatyti P pridėjimo įtaką stiklo struktūrai ir fosforo būsenai po kristalizacijos.
Požiūris atveria perspektyvas aukštos kokybės natrio jonų kietiesiems elektrolitams
Šis tyrimo metodas suteikia daug žadančių įžvalgų apie aukštos kokybės natrio jonų kietuosius elektrolitus, kurie yra itin svarbūs tvarios energijos kaupimo ateičiai. Naudojant nedegius neorganinius elektrolitus, gerokai padidinamas sistemų saugumas ir sudaromos sąlygos greitesniam įkrovimui, todėl tokios medžiagos yra itin patrauklios naujos kartos baterijoms.
Natrio baterijos – tai įkraunamos energijos kaupimo sistemos, kuriose energijai kaupti ir atiduoti naudojami natrio jonai (Na⁺), o ne ličio jonai. Jos veikia labai panašiai kaip ličio jonų baterijos.
Viena pagrindinių priežasčių, kodėl natrio baterijos sulaukia vis daugiau dėmesio, yra ta, kad natris yra gausus ir nebrangus. Jo gausu valgomosios druskos (natrio chlorido) pavidalu ir jūros vandenyje, todėl, palyginti su ličiu, jis yra daug plačiau ir lengviau prieinamas. Dėl šio gausumo mažėja medžiagų sąnaudos ir tiekimo grandinės rizikos. Be to, kai kurių tipų natrio baterijos pasižymi geresnėmis saugos savybėmis ir geru veikimu žemesnėje temperatūroje, todėl jos ypač tinkamos didelio masto energijos kaupimo sistemoms, kurios padeda integruoti atsinaujinančius energijos šaltinius, tokius kaip saulės ir vėjo elektrinės.
