De flesta smartphones, bärbara datorer och andra enheter som finns på marknaden idag drivs av litiumjonbatterier (Li-ion). Även om dessa uppladdningsbara batterier fungerar utmärkt är de baserade på litium, som inte är lika vanligt förekommande som andra material och inte är jämnt fördelat mellan olika länder världen över.
Under de senaste decennierna har energitekniker därför utforskat potentialen hos uppladdningsbara batterier baserade på andra material som är mer tillgängliga och prisvärda. Dessa inkluderar natriumjonbatterier (Na-ion), som använder natriumjoner (Na+) som laddningsbärare.
Precis som i andra batterier rör sig laddningsbärarna i Na-jon-batterier mellan en katod (dvs. en elektrod som attraherar positivt laddade joner) och en anod (dvs. en elektrod som attraherar negativt laddade joner). För att förbättra batteriernas prestanda, stabilitet, säkerhet och energitäthet kan ingenjörer utforma nya katoder eller försöka förbättra befintliga.
Forskare vid Zhejiang University, Sun Yat-sen University och andra institut presenterade nyligen en ny metod för att förbättra järnbaserade fosfatkatoder för Na-jonbatterier. Deras föreslagna strategi, som presenteras i en artikel publicerad i Nature Energy, innebär att man modifierar katodernas atomstruktur baserat på materialet Na4Fe3(PO4)2P2O7, genom att ersätta vissa järnatomer med vanadiumjoner (V3+).
”Fe-baserade polyanjoniska katoder är lovande för storskaliga natriumjonbatterier tack vare deras stabilitet, säkerhet och elementära förekomst. Deras kapacitet begränsas dock fortfarande av elektrokemiskt inaktiva natriumplatser och irreversibel natriumförlust”, skrev Xinyu Li, Duoduo Zhang och deras kollegor.
”Vi har identifierat att Na+-koordinationsmiljön har en avgörande inverkan på tillgängligheten till Na-platserna och redoxaktiviteten i katoder av typen Na4Fe3(PO4)2P2O7.”
Förbättring av strukturen hos fosfatkatoder
Som en del av sin studie undersökte Li, Zhang och deras kollegor först järnbaserade fosfatkatoder som tidigare hade integrerats i Na-jonbatterier. Mer specifikt försökte de fastställa varför vissa Na+-joner i dessa katoder förblev elektrokemiskt inaktiva och inte rör sig fritt medan batterierna laddas och urladdas.
Baserat på resultaten av sina analyser utformade de sedan en strategi för att aktivera dessa inaktiva joner och därmed förbättra både kapaciteten och energitätheten hos Na-jonbatterier. Deras föreslagna tillvägagångssätt innebär att järnatomer på specifika platser i katoden ersätts med V3+-joner.
Forskarna utvärderade potentialen i sin strategi för katoddesign genom en serie datorsimuleringar och experiment i verkliga miljöer. Deras resultat var mycket lovande, eftersom ersättningen av utvalda järnatomer med V3+-joner framgångsrikt aktiverade Na-joner som tidigare varit otillgängliga, vilket resulterade i förbättrad batterikapacitet och energitäthet.
”Kombinerade experimentella och teoretiska analyser visar att en precis V3+-ersättning vid Fe2-platsen harmoniserar Na+-koordinationsgeometrin och mjukar upp det polyanjoniska ramverket, vilket därmed aktiverar tidigare inerta Na-platser och stabiliserar högspänningsredoxreaktioner över 4 V”, skrev författarna.
”Det optimerade Na3,4Fe2,4V0,6(PO4)2P2O7 uppnår full Na+-utnyttjande (3,4 Na+, 150,7 mAh/g−1) och en 52-procentig ökning av energitätheten (487 Wh/kg−1), vilket närmar sig den praktiska gränsen för litiumjonfosfatkatoder. Det uppvisar också exceptionell hållbarhet, över 10 000 cykler i intervallet 2,1–4,5 V och stabil prestanda i påsceller.”
Underlättar införandet av Na-jonbatterier
Den strategi för katodförbättring som Li, Zhang och deras medarbetare hittills har introducerat har visat sig framgångsrikt öka kapaciteten och energitätheten hos Na-jonbatterier. I framtiden kan den förfinas ytterligare, tillämpas på andra fosfatbaserade katoder och testas i fler verkliga experiment under realistiska driftsförhållanden.
”Dessa resultat ger en koordinationsbaserad strategi för att övervinna de inneboende kapacitetsbegränsningarna hos fosfatkathoder, vilket möjliggör högenergiska och hållbara natriumjonbatterier”, skrev författarna.
I slutändan kan detta forskarteams insatser bidra till införandet av säkra, stabila och högenergiska uppladdningsbara batterier som är mer prisvärda än dagens litiumjonbatterier. Dessa batterier skulle potentiellt kunna användas i både bärbar och stor elektronik, inklusive elfordon.
Publiceringsuppgifter
Xinyu Li et al, Harmonized sodium coordination engineering for high-energy phosphate cathodes, Nature Energy (2026). DOI: 10.1038/s41560-026-02059-w.
