En ændring i batterivæsken kan begrænse tabet af natrium i en batteritype, der starter uden et færdigt lag aktivt anodemateriale. I et nyt studie rapporterer forskere, at små poseceller på omkring 300 milliamperetimer bevarede cirka 80 procent af kapaciteten efter 1.400 cyklusser ved en belastning på 1 C.

Arbejdet blev offentliggjort i Nature Energy den 2. november. Holdet bruger opløsningsmidlet 1,3-dioxan, forkortet DOX, til både at lette aflejring af natrium og danne et beskyttende lag ved elektroden. Resultatet er et laboratoriefremskridt for anodefri natriumbatterier, ikke en færdig batteripakke til biler eller elnet.

Hvad betyder anodefri?

Betegnelsen kan lyde, som om batteriet helt mangler en af sine to elektroder. Det er ikke sådan, princippet fungerer. Ved samlingen undlader man det ekstra aktive natriumlag på den negative side. Under opladning aflejres natrium i stedet på en strømkollektor, og under afladning skal det kunne fjernes igen.

Det giver en mulighed for at undgå noget materiale, som ellers optager plads og masse. Men konstruktionen har også et særligt problem: Den har ikke et stort overskud af natrium at tære på. Hvis en lille mængde bliver fanget i uønskede reaktioner ved hver cyklus, kan tabene efterhånden udhule batteriets brugbare kapacitet.

Man kan sammenligne det med et lukket kredsløb med en begrænset beholdning. Det er ikke nok, at næsten alt kommer tilbage én gang. Det skal ske igen og igen. Derfor er grænsefladen mellem elektroden og elektrolytten afgørende for, om denne type celle kan holde længe.

En væske med to opgaver

Forskerne beskriver, at DOX binder forholdsvis svagt til natriumionerne. Det gør det lettere for ionerne at slippe deres omgivende opløsningsmiddelmolekyler, når natrium skal aflejres. Samtidig kan DOX danne korte molekylekæder gennem en kontrolleret proces, der kaldes oligomerisering.

De korte kæder bidrager til et tyndt, robust lag ved overgangen mellem den faste elektrode og væsken. Laget skal hæmme fortsat nedbrydning af elektrolytten og stabilisere den gentagne aflejring og fjernelse af natrium. Den nye strategi handler dermed både om ionernes bevægelse og om kemien på overfladen.

Det er en væsentlig skelnen. En batterivæske skal ikke kun transportere ladning her og nu; dens møde med elektroderne er også med til at bestemme, hvor hurtigt cellen ændrer sig. Et materiale kan være godt til den første opgave uden automatisk at løse den anden.

Hvad fortæller de 1.400 cyklusser?

Studiets førsteforfatter er Shuicen Ding, og arbejdet omfatter blandt andre forskere fra Xi’an Jiaotong University og Det Kinesiske Videnskabsakademi. De rapporterede poseceller havde en katodebelastning på omkring 20 milligram pr. kvadratcentimeter. Det er en vigtig oplysning, fordi mængden af aktivt materiale påvirker, hvor krævende en celle er at få til at fungere.

En belastning på 1 C angiver en strøm, der nominelt svarer til at omsætte den angivne kapacitet på omtrent en time. Det er ikke det samme som, at alle dele af et praktisk opladningsforløb nødvendigvis tager præcis en time. Tallet beskriver en forsøgsbetingelse, som gør resultatet lettere at sammenligne.

Omkring 80 procent tilbageværende kapacitet betyder heller ikke, at cellen er uændret. Den kan lagre mindre ladning end i begyndelsen. Cyklustallet viser, hvor langt forsøget nåede under de valgte forhold, og kan ikke direkte oversættes til et bestemt antal års brug i et produkt.

Fra lille celle til større system

Det videre spørgsmål er, hvordan strategien fungerer ved større celler og i en samlet batterikonstruktion. Et system skal vurderes på mere end levetid: energimængde, sikkerhed, fremstilling og driftsforhold skal også hænge sammen. En god elektrolyt løser ikke alene alle de opgaver.

Studiets betydning ligger i, at det viser en konkret kemisk vej til at begrænse et centralt tab. Det giver forskere en ny mulighed at arbejde videre med, mens afstanden til en industriel løsning fortsat skal vurderes gennem yderligere forsøg.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.